專利名稱：一種小尺度光學(xué)微腔制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種光學(xué)微腔的制備方法，特別涉及一種小尺度光學(xué)微腔制備方法， 屬于光學(xué)微腔制備領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
光學(xué)腔是一種常見(jiàn)的光學(xué)器件，其利用干涉原理將波長(zhǎng)與其匹配的光選出，可以 用作光學(xué)濾波器。各種激光器都包含光學(xué)腔，因?yàn)楣鈱W(xué)腔提供的光回路是光放大必不可少 的。此外，限域在光學(xué)腔中特定波長(zhǎng)的光在光學(xué)腔中往返運(yùn)動(dòng)，壽命較長(zhǎng)，較易與腔中的物 質(zhì)發(fā)生相互作用，因此光學(xué)腔也被用于非線性光學(xué)和光學(xué)傳感器的研究。根據(jù)光回路的不同，光學(xué)腔有不同的類型。法布里-珀羅(Fabry-P6r0t)腔由 互相平行的兩個(gè)反射面構(gòu)成，光在兩個(gè)反射面間往返運(yùn)動(dòng)形成光回路，其反射面既可以是 單反射面也可以是一維Bragg光柵，后者一般具有更高的反射率?；匾舯?Whispering Gallery)腔由近似圓形的介質(zhì)構(gòu)成，光在介質(zhì)內(nèi)表面發(fā)生一系列全內(nèi)反射(TIR)而形成光 回路?；诠庾泳w的光學(xué)腔是在光子晶體中構(gòu)造光子禁帶中的局域態(tài)，光被限域在該局 域態(tài)附近形成光回路。光學(xué)微腔是腔長(zhǎng)在微米或亞微米量級(jí)的光學(xué)腔，一方面，較小的尺寸有利于大 規(guī)模集成和降低器件成本，另一方面，較小的腔長(zhǎng)導(dǎo)致較大的腔模間距，從而有利于實(shí)現(xiàn) 單模工作狀態(tài)?；诠鈱W(xué)微腔的垂直腔面發(fā)射激光器(VCSEL)已經(jīng)被廣泛用于短距離 數(shù)據(jù)通信和并行高速光纖通信中[Kenichi Iga, IEEE JOURNAL ON SELECTED TOPICS IN QUANTUMELECTR0NICS,6(6)，1201 (2000)],而光學(xué)微腔相關(guān)的研究也正吸引著越來(lái)越多的 關(guān)注，例如微腔激子-極化子(cavity exciton-polariton)的波色愛(ài)因斯坦凝聚(BEC) 現(xiàn) 象[J- Kasprzak, M. Richard, S. Kundermann, A. Baas, P. Jeambrun, J. M. J. Keeling, F. M. Marchetti, M. H. Szymanska, R. Andre, J. L. Staehli, V. Savona, P. B. Littlewood, B. Deveaud, Le Si Dang, Nature, 443,409 (2006) ] > Ig^l (superfluidity) MM- [Alberto Amo, Jerome Lefrere, Simon Pigeon, ClaireAdrados, Cristiano Ciuti, Iacopo Carusotto, Romuald Houdre,Elisabeth Giacobino, AlbertoBramati, Nature Physics,5, 805(2009)]等。品質(zhì)因數(shù)(Q)是衡量光學(xué)微腔的重要指標(biāo)，擁有較高品質(zhì)因數(shù)的光學(xué)微腔具有 更好的光子限域能力，其腔模更銳利，限域光子的壽命更長(zhǎng)。為了制備高Q值光學(xué)微腔， 多種方法已經(jīng)被采用。例如交替沉積折射率不同但晶格大致匹配的兩種不同材料形成一 維Bragg光柵，并在兩個(gè)Bragg光柵之間沉積腔體材料形成Fabry-P6rot腔的方法，已經(jīng) 被廣泛用于制備GaAs系和GaN系的光學(xué)微腔。此外，還有刻蝕形成圓柱或圓盤結(jié)構(gòu)形成 Whispering gallery腔[S. L. McCall, A. F. J. Levi, R. E. Slusher, S. J. Pearton, R. A. Logan, Appl. Phys. Lett.，60 (3)，289 (1992)]。另外，在周期性的光子晶體中構(gòu)造點(diǎn)缺陷也可以形 成 Q 值很高的光學(xué)微腔[Yoshihiro Akahane, Takashi Asano, Bong—Shik Song, Susumu Noda, Nature, 425,944 (2003)]。無(wú)論上述哪種方法，構(gòu)造光學(xué)微腔都絕非易事，需要復(fù)雜的
3工序并且成功率和可控性都十分有限。近年來(lái)，化學(xué)氣相沉積(CVD)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于納米材料的生長(zhǎng)領(lǐng)域。這種技術(shù) 具有簡(jiǎn)單易行，生長(zhǎng)快，產(chǎn)量大，晶格質(zhì)量好等特點(diǎn)，雖然可控性稍差，但仍然獲得了廣泛的 應(yīng)用。利用這種方法，已經(jīng)得到了各種材料的各種形貌的納米結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，單根納米 線或納米棒的兩個(gè)端面可以作為反射面形成Fabry-P6rot微腔[S. Rilhle，L. K. vanVugt, H. -Y. Li, N. A. Keizer, L. Kuipers, D. Vanmaekelbergh, Nano Lett. , 8,119 (2008) ], 納米線的圓形或類圓形橫截面也可以形成Whispering gallery光學(xué)微腔[Thomas Nobis, Evgeni M. Kaidashev, Andreas Rahm, Michael Lorenz, Marius Grundmann, Phys. Rev. Lett. ，93，103903(2004)].

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種小尺度光學(xué)微腔制備方法，微腔尺寸精確可控；利用 該方法得到的光學(xué)微腔，其尺寸為亞微米或亞波長(zhǎng)量級(jí)并且可以精確控制，擁有潛在的應(yīng) 用價(jià)值。本發(fā)明的技術(shù)方案為一種小尺度光學(xué)微腔制備方法，其步驟為1)采用微納米結(jié)構(gòu)制備方法獲得所選材料的納米線或納米棒；2)選取所需的納米線或納米棒并確定切割線的寬度和位置；3)根據(jù)2)所確定的切割線寬度和位置，利用微納米加工方法對(duì)選定的納米線或 納米棒進(jìn)行切割，得到所需的光學(xué)微腔。進(jìn)一步的，首先根據(jù)所需的光學(xué)微腔的類型和性能確定所需的納米線或納米棒的 直徑和軸向長(zhǎng)度；然后根據(jù)確定的直徑和軸向長(zhǎng)度選取所需的納米線或納米棒。進(jìn)一步的，所述選取所需的納米線或納米棒的方法為首先將納米線或納米棒轉(zhuǎn) 移分散到所選基底上；然后將該所選基底置入掃描電子顯微鏡中，選取所需的納米線或納 米棒。進(jìn)一步的，所述轉(zhuǎn)移分散方法為將生長(zhǎng)有1)中獲得的納米線或納米棒的原始樣 品與選定的基底互相接觸，通過(guò)接觸力將納米線或納米棒從原始樣品上分離并轉(zhuǎn)移到與之 接觸的基底上。進(jìn)一步的，所述光學(xué)微腔的類型包括Fabry-P6rot微腔、Whispering Gallery微腔。進(jìn)一步的，對(duì)于Whispering Gallery微腔，所述確定切割線的位置的方法為以 所選取的納米棒的一端為起點(diǎn)，激發(fā)位置從起點(diǎn)開(kāi)始沿納米棒的軸向移動(dòng)對(duì)該納米棒進(jìn)行 激發(fā)；同時(shí)接收該納米棒的側(cè)壁發(fā)光，獲得不同激發(fā)位置上的Whispering Gallery腔模強(qiáng) 度；將接收到的腔模強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定時(shí)的位置與激發(fā)位置的起點(diǎn)間的距離的二倍，作為 該Whispering Gallery腔所需的軸向參考長(zhǎng)度，確定切割線的位置。進(jìn)一步的，所述微納米結(jié)構(gòu)制備方法為自下而上的微納米結(jié)構(gòu)制備方法。進(jìn)一步的，所述納米棒為ZnO納米棒；采用化學(xué)氣相沉積法制備所述ZnO納米棒， 其方法為將ZnO粉末與碳粉1 1混合加熱到1100°C，加熱產(chǎn)生的氣體由Ar 02 = 10 1 的載氣運(yùn)送到氧化銦錫玻璃基底上沉積形成所述ZnO納米棒。
進(jìn)一步的，所述微納米加工方法為聚焦離子束刻蝕方法。本發(fā)明首先利用自下而上的微納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)(例如CVD技術(shù))獲得某種材料 的納米線或納米棒，然后將納米線或納米棒轉(zhuǎn)移分散到某種基底上，再利用微納米加工技 術(shù)[例如聚焦離子束刻蝕(FIB)技術(shù)]對(duì)納米線或納米棒進(jìn)行切割，從而得到所需的光學(xué)微腔。利用自下而上的微納米結(jié)構(gòu)制備技術(shù)得到的納米線或納米棒，其直徑一般為幾十 納米到幾微米，通過(guò)控制制備條件，可以在一定程度上控制納米線或納米棒的直徑，相同條 件得到的樣品的直徑往往分布在一個(gè)范圍之中。為了根據(jù)需要選擇所需直徑的納米線或納 米棒，我們將納米線或納米棒轉(zhuǎn)移分散到某種基底上，具體的方法是將原始樣品與某種基 底互相接觸，接觸力會(huì)將納米結(jié)構(gòu)從生長(zhǎng)樣品上分離并轉(zhuǎn)移到與之接觸的基底上。再將分 散有樣品的基底置入掃描電子顯微鏡(SEM)中，尋找直徑合乎要求的納米線或納米棒以便 進(jìn)行進(jìn)一步的加工。一般來(lái)說(shuō)，轉(zhuǎn)移分散在基底上的納米線或納米棒是大量的，我們總能找 到直徑合乎要求的納米線或納米棒。另外，采用原始樣品與某種基底直接接觸的方法轉(zhuǎn)移 分散納米結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在于這種方法對(duì)納米線或納米棒的影響很小。納米材料的光學(xué)性質(zhì)往 往對(duì)材料的變化非常敏感，一些常見(jiàn)的轉(zhuǎn)移分散方法，例如溶液分散法往往會(huì)改變納米材 料的光學(xué)性質(zhì)，而我們采用的方法可以最大程度上降低這種影響。單根納米線或納米棒已經(jīng)形成光學(xué)微腔。以ZnO納米棒為例。圖1(a)是長(zhǎng)度為 7 U m的單根ZnO納米棒的陰極射線熒光光譜(收集端面發(fā)光，歸一化)及無(wú)腔效應(yīng)的不規(guī) 則ZnO納米結(jié)構(gòu)的陰極射線熒光光譜(歸一化并乘以0.5)；圖1(b)是直徑為1. 14i!m的 單根ZnO納米棒的陰極射線熒光光譜(收集側(cè)壁發(fā)光，歸一化)及無(wú)腔效應(yīng)的不規(guī)則ZnO 納米結(jié)構(gòu)的陰極射線熒光光譜(歸一化并乘以0.5)。可以看到，單根納米棒的光譜具有不 規(guī)則納米結(jié)構(gòu)的光譜所沒(méi)有的腔模，其中圖1 (a)的光譜疊加了 Fabry-P6r0t腔模而圖1 (b) 的光譜疊加了 Whispering Gallery腔模。找到直徑合適的納米線或納米棒后，我們需要確定納米線或納米棒的軸向長(zhǎng)度， 然后利用微納米加工技術(shù)將其切割，使軸向長(zhǎng)度合乎要求。若我們需要Fabry-PSrot微 腔，納米棒的軸向長(zhǎng)度即為腔長(zhǎng)，根據(jù)所需的腔模能量及腔模位置確定腔長(zhǎng)，即切割線間 距。對(duì)于Fabry-P6rot微腔，不同的直徑?jīng)Q定了不同的側(cè)壁束縛。若我們需要Whispering Gallery微腔，其腔長(zhǎng)由納米棒的直徑?jīng)Q定；對(duì)于納米棒的軸向長(zhǎng)度，我們發(fā)現(xiàn)它對(duì) Whispering Gallery微腔的性能有影響。Whispering Gallery微腔切割線位置的確定方法 為以所選取的納米棒的一端為起點(diǎn)，激發(fā)位置從起點(diǎn)開(kāi)始沿納米棒的軸向移動(dòng)對(duì)該納米 棒進(jìn)行激發(fā)；同時(shí)接收該納米棒的側(cè)壁發(fā)光，獲得不同激發(fā)位置上的Whispering Gallery 腔模強(qiáng)度；將接收到的腔模強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定時(shí)的位置與激發(fā)位置的起點(diǎn)間的距離的二 倍，作為完全避免納米棒端面漏光影響所需的最短軸向長(zhǎng)度，以此長(zhǎng)度為參考，結(jié)合實(shí)際需 要，確定切割線的位置。圖2是直徑為1. 12 y m的單根ZnO納米棒的高空間分辨陰極射線 熒光光譜(收集側(cè)壁發(fā)光，歸一化)，電子束激發(fā)位置與納米棒端部的距離標(biāo)注在對(duì)應(yīng)的光 譜旁邊?？梢钥吹剑?dāng)此距離小于600nm時(shí)，Whispering Gallery腔模被削弱，而當(dāng)此距離 大于等于600nm時(shí)，腔模的強(qiáng)度恢復(fù)到與納米棒中部被激發(fā)時(shí)相同。這個(gè)結(jié)果說(shuō)明納米棒 端部的光損失會(huì)削弱Whispering Gallery腔模，對(duì)于ZnO納米棒，這種影響在距離納米棒 端部600nm及以上時(shí)可以忽略。由此可見(jiàn)，若要降低端面光損失的影響，納米線或納米棒的軸向長(zhǎng)度不能太小，對(duì)于ZnO納米棒，考慮到其有兩個(gè)端面，若要將這種影響降到最低，其 軸向長(zhǎng)度至少為1.2μπι。我們還需要確定切割線的寬度和位置。一般來(lái)說(shuō)，靠得很近的納米結(jié)構(gòu)間存在光 學(xué)隧穿效應(yīng)從而影響光學(xué)微腔的質(zhì)量，而過(guò)寬的切割線損失了過(guò)多的樣品并有可能消耗較 長(zhǎng)的加工時(shí)間。切割線的位置一般選在納米線或納米棒結(jié)構(gòu)缺陷較少處，以保證得到的光 學(xué)微腔的質(zhì)量。接下來(lái)，用微納米加工技術(shù)將納米線或納米棒切割成小段，每一段都是一個(gè) Fabry-Perot微腔或Whispering Gallery微腔。Fabry_P6rot微腔以切割形成的兩個(gè)切面 或由切割形成的切面以及生長(zhǎng)形成的底面為反射面。而Whispering Gallery微腔則由納 米線或納米棒的類圓柱形側(cè)壁為全反射面形成環(huán)形光回路。
得到基于ZnO的光學(xué)微腔的步驟包括首先，利用CVD方法合成ZnO納米棒。具體方法是將ZnO粉末與碳粉1 1混合 加熱到1100°c，加熱產(chǎn)生的氣體由載氣(Ar O2 = 10 1)運(yùn)送到溫度稍低的氧化銦錫 (ITO)玻璃基底上沉積形成ZnO納米棒。整個(gè)生長(zhǎng)過(guò)程是在一個(gè)石英玻璃管中完成的。圖 3為生長(zhǎng)樣品的SEM照片，可以看到基底上有大量的ZnO納米棒及含有ZnO納米棒的納米梳。然后，將納米棒分散到基底上。我們將Si基底或SiO2基底與生長(zhǎng)有ZnO納米結(jié) 構(gòu)的ITO玻璃接觸，從而實(shí)現(xiàn)生長(zhǎng)樣品在該基底上的轉(zhuǎn)移分散。圖4(a)，(b)為分散在SiO2 基底上的單根納米棒和單個(gè)納米梳的SEM照片。確定光學(xué)微腔的類型和尺寸，之后在SEM下在分散有ZnO納米結(jié)構(gòu)的基底上找到 直徑符合要求的納米棒。 為了控制納米棒在軸向的長(zhǎng)度，我們利用FIB方法對(duì)納米棒進(jìn)行切割。在SEM/FIB 聯(lián)用系統(tǒng)中，盡量避免用聚焦離子束對(duì)待加工樣品成像，以防止對(duì)樣品不必要的損傷造成 光學(xué)微腔質(zhì)量下降。一般來(lái)說(shuō)，利用待加工樣品鄰近的廢棄樣品進(jìn)行精確的電子束離子束 對(duì)準(zhǔn)可以減少不必要的聚焦離子束成像。根據(jù)所需微腔的尺寸確定切割方案，對(duì)選定的納 米棒進(jìn)行切割。圖5為FIB切割單根納米棒的示意圖。最后，用電子束成像檢查得到的光學(xué)微腔，確定其尺寸及加工誤差。如果可能，用 光學(xué)方法檢查得到的光學(xué)微腔的性能。對(duì)于Fabry-PSrot微腔，其軸向長(zhǎng)度等于腔長(zhǎng)，其直徑?jīng)Q定側(cè)壁束縛能力；對(duì)于 Whispering Gallery微腔，其軸向長(zhǎng)度決定端面光損失的大小，其直徑?jīng)Q定腔長(zhǎng)。確定端面光損失大小的方法是獲得未切割的納米線或納米棒一端的軸向高空間 分辨陰極射線熒光光譜(收集側(cè)壁發(fā)光)并獲得不同位置上腔模被削弱的程度。在SEM下選取直徑符合要求的納米棒，一般選取并不與其他納米結(jié)構(gòu)重疊的單個(gè) 納米線或納米棒，含有符合要求的納米線或納米棒的單個(gè)納米結(jié)構(gòu)(如納米梳)也可以選 擇。切割線間距與所需光學(xué)微腔的軸向長(zhǎng)度相同，切割位置選在納米線或納米棒結(jié)構(gòu) 缺陷較少處，切割線寬需足夠?qū)捯员苊忄徑{米結(jié)構(gòu)的影響。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的優(yōu)點(diǎn)
1.較小的腔尺寸。采用微納米結(jié)構(gòu)制備方法得到的納米線或納米棒，其直徑一般為幾十納米到幾微米，而微納米加工技術(shù)的精度可達(dá)亞微米級(jí)或納米級(jí)。因此我們有能力 得到亞微米或納米量級(jí)的光學(xué)微腔。較小的腔尺寸有利于使微腔工作在單模狀態(tài)下并且有 利于大規(guī)模集成。2.腔尺寸精確可控。通過(guò)變化制備條件并在SEM下仔細(xì)選擇，總能找到直徑合乎 要求的納米線或納米棒，而微納米加工技術(shù)的精度可達(dá)亞微米級(jí)或納米級(jí)，可以精確切割 得到所需的納米線或納米棒的軸向長(zhǎng)度。因此我們能夠精確控制微腔的尺寸，這種可控性 對(duì)研究和應(yīng)用都非常關(guān)鍵。3.簡(jiǎn)單有效。與分子束外延(MBE)生長(zhǎng)一維Bragg光柵構(gòu)造光學(xué)微腔等方法相 比，我們的方法流程簡(jiǎn)單，可控性強(qiáng)。


圖1是單根ZnO納米棒的陰極射線熒光光譜及無(wú)腔效應(yīng)的不規(guī)則ZnO納米結(jié)構(gòu)的 陰極射線熒光光譜；(a)是長(zhǎng)度為7 μ m的單根ZnO納米棒的陰極射線熒光光譜(收集端面發(fā)光，歸一 化)及無(wú)腔效應(yīng)的不規(guī)則ZnO納米結(jié)構(gòu)的陰極射線熒光光譜(歸一化并乘以0. 5)，(b)是直徑為1. 14 μ m的單根ZnO納米棒的陰極射線熒光光譜(收集側(cè)壁發(fā)光，歸 一化)及無(wú)腔效應(yīng)的不規(guī)則ZnO納米結(jié)構(gòu)的陰極射線熒光光譜(歸一化并乘以0. 5)。圖2是直徑為1. 12 μ m的單根ZnO納米棒的高空間分辨陰極射線熒光光譜(收集 側(cè)壁發(fā)光，歸一化)，激發(fā)位置距納米棒端部的距離標(biāo)注在對(duì)應(yīng)的光譜旁邊。圖3是CVD生長(zhǎng)得到的ZnO納米結(jié)構(gòu)的SEM照片。圖4是分散在SiO2基底上的單個(gè)ZnO納米結(jié)構(gòu)的SEM照片，(a)單根ZnO納米棒，(b)單個(gè)ZnO納米梳。圖5是FIB切割單根納米棒的示意圖。圖6是FIB切割單根ZnO納米棒后的SEM照片。圖7是FIB切割形成的軸向長(zhǎng)度不同的幾個(gè)基于ZnO的光學(xué)微腔的SEM照片。圖8是圖7所示的樣品傾轉(zhuǎn)20°后的SEM照片。圖9是FIB切割形成的軸向長(zhǎng)度為333nm的基于ZnO的亞波長(zhǎng)量級(jí)光學(xué)微腔的 SEM照片。圖10是FIB切割形成的軸向長(zhǎng)度不同的幾個(gè)基于CdS的光學(xué)微腔的SEM照片。其中1_長(zhǎng)度為7 μ m的單根ZnO納米棒的陰極射線熒光光譜(收集端面發(fā)光，歸 一化)2_無(wú)腔效應(yīng)的不規(guī)則ZnO納米結(jié)構(gòu)的陰極射線熒光光譜(歸一化并乘以0. 5) 3-直 徑為1. 14 μ m的單根ZnO納米棒的陰極射線熒光光譜(收集側(cè)壁發(fā)光，歸一化)4-無(wú)腔效 應(yīng)的不規(guī)則ZnO納米結(jié)構(gòu)的陰極射線熒光光譜(歸一化并乘以0.5) 5-真空腔6-離子槍 7_聚焦離子束8-單根納米線或納米棒9-基底10-切割線
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，通過(guò)實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明，但不以任何方式限制本發(fā)明。
實(shí)施例1 :FIB切割單根ZnO納米棒具體步驟如下(1)在ITO基底上用CVD方法合成ZnO納米結(jié)構(gòu)；(2)將ITO上的ZnO納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移分散到SiO2基底上；(3)在SEM下在分散有ZnO納米結(jié)構(gòu)的SiO2基底上選出直徑為1. 02 μ m,結(jié)構(gòu)無(wú) 明顯缺陷的單根納米棒；(4)在SEM/FIB聯(lián)用系統(tǒng)中，對(duì)前述納米棒進(jìn)行切割，切割線間距為500nm，切割線 寬選為最小，切割線共八條；(5)切割后的納米棒的SEM照片如圖6所示，在相鄰的切割線間得到了軸向長(zhǎng)度為 430nm-460nm的小段，切割線寬約為70nm。切割線寬與得到小段的軸向長(zhǎng)度之和約500nm， 與預(yù)設(shè)切割線間距吻合。證明了 FIB方法具有較高的可控性及加工精度。實(shí)施例2 制備基于ZnO的光學(xué)微腔具體步驟如下(1)在ITO基底上用CVD方法合成ZnO納米結(jié)構(gòu)；(2)將ITO上的ZnO納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移分散到SiO2基底上；(3)為了得到Fabry-P6rot，Whispering Gallery兩用的光學(xué)微腔，我們獲得一根 納米棒一端的軸向高空間分辨陰極射線熒光光譜(收集側(cè)壁發(fā)光)如圖2所示，確定當(dāng)納 米棒軸向長(zhǎng)度至少為1.2μπι時(shí)可以完全忽略納米棒端部漏光的影響。根據(jù)需要，我們確定 光學(xué)微腔直徑為1. 1 μ m，軸向長(zhǎng)度分別為500nm，600nm，800nm，1500nm, 1700nm ；(4)在SEM下在分散有ZnO納米結(jié)構(gòu)的SiO2基底上選出直徑為1. 09 μ m,結(jié)構(gòu)無(wú) 明顯缺陷的位于單個(gè)ZnO納米梳上的單根納米棒；(5)在SEM/FIB聯(lián)用系統(tǒng)中，對(duì)前述納米棒進(jìn)行切割，切割線間距分別為500nm， 600nm，800nm，1500nm, 1700nm，切割線寬選為 500nm ；(6)切割后的納米棒的SEM照片如圖7所示，得到軸向長(zhǎng)度分別為468nm，564nm， 802nm, 1490nm, 1710nm的小段，切割線寬度約為460nm ；(7)將切割后的納米棒傾轉(zhuǎn)20°并得到SEM照片如圖8所示，可以看到小段的橫 截面近似為六邊形，因此我們得到的是軸向長(zhǎng)度互不相同的一些微六棱柱；(8)這些微六棱柱具有要求的直徑和軸向長(zhǎng)度，之間間距也足夠大，形成了所需的 光學(xué)微腔。實(shí)施例3 制備基于ZnO的亞波長(zhǎng)量級(jí)光學(xué)微腔具體步驟如下(1)在ITO基底上用CVD方法合成ZnO納米結(jié)構(gòu)；(2)將ITO上的ZnO納米結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)移分散到SiO2基底上；(3)根據(jù)需要，確定納米棒直徑為1. 02 4!11，軸向長(zhǎng)度在亞波長(zhǎng)量級(jí)，為35011111 ；(4)在SEM下在分散有ZnO納米結(jié)構(gòu)的SiO2基底上選出直徑為1. 02 μ m,結(jié)構(gòu)無(wú) 明顯缺陷的位于單個(gè)ZnO納米梳上的單根納米棒；(5)在SEM/FIB聯(lián)用系統(tǒng)中，對(duì)前述納米棒進(jìn)行切割，切割線間距設(shè)為350nm，切割 線寬選為500nm ；(6)切割后的納米棒的SEM照片如圖9所示，得到軸向長(zhǎng)度為333nm的小段，切割線寬度約493nm，形成所需的亞波長(zhǎng)量級(jí)的光學(xué)微腔。實(shí)施例4 制備基于CdS的光學(xué)微腔具體步驟如下(1)用CVD方法合成CdS納米棒；(2)將CdS納米棒轉(zhuǎn)移分散到SiO2基底上；(3)根據(jù)需要，我們確定光學(xué)微腔直徑為1. 55 μ m，軸向長(zhǎng)度分別為500nm，800nm， 1 μ m, 1. 5 μ m, 2 μ m ；(4)在SEM下在分散有CdS納米棒的SiO2基底上選出直徑為1. 54 μ m,結(jié)構(gòu)無(wú)明顯缺陷的單根CdS納米棒；(5)在SEM/FIB聯(lián)用系統(tǒng)中，對(duì)前述納米棒進(jìn)行切割，切割線間距分別為500nm， 800nm, 1 μ m, 1. 5 μ m, 2 μ m,切割線寬選為 600nm ；(6)切割后的納米棒的SEM照片如圖10所示，得到軸向長(zhǎng)度分別為538nm，850nm， 1. 05 μ m, 1. 55 μ m，2. 06 μ m的小段，切割線寬度約為625nm ；(7)得到的小段具有要求的直徑和軸向長(zhǎng)度，之間間距也足夠大，形成了所需的 CdS光學(xué)微腔。
權(quán)利要求
一種小尺度光學(xué)微腔制備方法，其步驟為1)采用微納米結(jié)構(gòu)制備方法獲得所選材料的納米線或納米棒；2)選取所需的納米線或納米棒并確定切割線的寬度和位置；3)根據(jù)2)所確定的切割線寬度和位置，利用微納米加工方法對(duì)選定的納米線或納米棒進(jìn)行切割，得到所需的光學(xué)微腔。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于首先根據(jù)所需的光學(xué)微腔的類型和性能確定 所需的納米線或納米棒的直徑和軸向長(zhǎng)度；然后根據(jù)確定的直徑和軸向長(zhǎng)度選取所需的納 米線或納米棒。
3.如權(quán)利要求1或2所述的方法，其特征在于所述選取所需的納米線或納米棒的方法 為首先將納米線或納米棒轉(zhuǎn)移分散到所選基底上；然后將該所選基底置入掃描電子顯微 鏡中，選取所需的納米線或納米棒。
4.如權(quán)利要求3所述的方法，其特征在于所述轉(zhuǎn)移分散方法為將生長(zhǎng)有1)中獲得的 納米線或納米棒的原始樣品與選定的基底互相接觸，通過(guò)接觸力將納米線或納米棒從原始 樣品上分離并轉(zhuǎn)移到與之接觸的基底上。
5.如權(quán)利要求2所述的方法，其特征在于所述光學(xué)微腔的類型包括=Fabry-PSrot微 腔、Whispering Gallery 微腔。
6.如權(quán)利要求5所述的方法，其特征在于對(duì)于WhisperingGallery微腔，所述確定 切割線的位置的方法為以所選取的納米棒的一端為起點(diǎn)，激發(fā)位置從起點(diǎn)開(kāi)始沿納米棒 的軸向移動(dòng)對(duì)該納米棒進(jìn)行激發(fā)；同時(shí)接收該納米棒的側(cè)壁發(fā)光，獲得不同激發(fā)位置上的 Whispering Gallery腔模強(qiáng)度；將接收到的腔模強(qiáng)度變化趨于穩(wěn)定時(shí)的位置與激發(fā)位置的 起點(diǎn)間的距離的二倍，作為該Whispering Gallery腔所需的軸向參考長(zhǎng)度，確定切割線的 位置。
7.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述微納米結(jié)構(gòu)制備方法為自下而上的微納 米結(jié)構(gòu)制備方法。
8.如權(quán)利要求7所述的方法，其特征在于所述納米棒為ZnO納米棒；采用化學(xué)氣相沉 積法制備所述ZnO納米棒，其方法為將ZnO粉末與碳粉1 1混合加熱到1100°C，加熱產(chǎn) 生的氣體由Ar 02 = 10 1的載氣運(yùn)送到氧化銦錫玻璃基底上沉積形成所述ZnO納米棒。
9.如權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于所述微納米加工方法為聚焦離子束刻蝕方法。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種小尺度光學(xué)微腔制備方法，屬于光學(xué)微腔制備領(lǐng)域。本發(fā)明的方法為1)采用微納米結(jié)構(gòu)制備方法獲得所選材料的納米線或納米棒；2)選取所需的納米線或納米棒并確定切割線的寬度和位置；3)根據(jù)2)所確定的切割線寬度和位置，利用微納米加工方法對(duì)選定的納米線或納米棒進(jìn)行切割，得到所需的光學(xué)微腔。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以獲得腔尺寸更小且腔尺寸精確可控的光學(xué)微腔，而且方法流程實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單有效。
文檔編號(hào)B82B3/00GK101811662SQ201010124688
公開(kāi)日2010年8月25日 申請(qǐng)日期2010年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者李成垚, 陳清, 高旻 申請(qǐng)人:北京大學(xué)