一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器及其制备方法

摘要

本发明涉及一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器及其制备方法，属于光集成器件技术领域。本发明首次利用金属材料与半导体材料之间的光学耦合在微纳尺度范围内设计了一种光波导分束器。本发明所设计的光波导分束器包括半导体层、介电层、纳米金属颗粒层，所述介电层位于半导体层与纳米金属颗粒层之间；所述半导体层为CdS等半导体材料纳米带；所述介电层为HfO

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器及其制备方法， 属于光集成器件技术领域。

背景技术

基于一维半导体纳米材料的光学器件，由于其优良的荧光和光波导特性被广泛的研究和应 用，但是目前的制备技术中，对于单根的合成的一维半导体纳米材料只相当于单通道的光学 微腔，不利于小型的微纳光集成器件的设计。金属纳米材料由于其独特的光学耦合特性和良 好的光限域性被广泛的研究。但是由于其固有的较大的欧姆损耗，基于金属纳米材料的光能 量传播距离仅有几微米或十几微米，同样不利于光学集成。

结合一维半导体纳米材料与金属纳米材料的复合纳米结构器件可以良好地利用一维半 导体纳米材料优良的荧光和光波导特性以及金属纳米材料独特的光学特性，在单根纳米带上 实现光波导分束器的设计，在光集成器件技术领域有非常重要的意义。但在现有资料中还未 见有金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器的报道。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足之处，提供一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的 光波导分束器及其制备方法。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，包括半导体层、介 电层、纳米金属颗粒层，所述介电层位于半导体层与纳米金属颗粒层之间；所述纳米金属颗 粒层按圆盘阵列结构分布在介电层上；所述半导体层的厚度为10-120nm；介电层的厚度为 5-20nm。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，所述半导体层为 CdS半导体纳米带。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，CdS半导体纳米带 的厚度为10-120nm，优选为20-110nm；在实际应用中对CdS半导体纳米带的宽度与长度无 特别限制。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，介电层为高电阻率 材料层；优选为为HfO₂层。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，所述HfO₂层的厚 度为5-20nm，优选为5-15nm。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，所述纳米金属颗粒 层为Au等贵重金属纳米颗粒层；所述金属纳米颗粒层中，单颗纳米颗粒呈圆柱状，其直径d， 厚度h以及纳米颗粒阵列周期p根据波导光波长的不同可调。

所述直径d为250-350nm，优选为300nm，相邻金属纳米颗粒的圆心距(周期p)为 550-650nm,优选为600nm，厚度h为30-100nm，优选为50nm。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器，分束器最终出射光 点的数量可由金属纳米颗粒的排数和离半导体层端部最近的金属纳米颗粒到半导体层端部的 距离调节。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器的制备方法，包括下 述步骤：

步骤一

用化学气相沉积法制备、厚度为10-120nm的半导体纳米带；

步骤二

将步骤一制得的半导体纳米带分散在清洁干净的Si/SiO₂衬底上，用原子层沉积法在分 散的半导体纳米带上覆盖一层厚度为5-20nm的介电层；

步骤三

在步骤二所得带有介电层的半导体纳米带上涂覆一层前驱物膜，然后通过电子束曝光技 术在前驱物膜的设定位置上得到设定尺寸的纳米圆洞阵列结构，所述前驱物选自聚甲基丙烯 酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯中的一种中的至少一种；

步骤四

在步骤三所得带有设定尺寸的纳米圆洞阵列结构的半导体纳米带上蒸镀一层设定厚度的 金属膜，将多余的金属膜与前驱物膜一起剥离即得到所述光波导分束器。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器的制备方法，当金属 为Au、介电层为HfO₂、半导体为CdS时，包括下述步骤：

步骤一

以纯度为99.9％的CdS粉为原料，以Ar气等保护气为载气，用化学气相沉积法制备厚度 为10-120nm，优选为20-110nm的CdS纳米带；沉积时，控制气体流速为1.5-5sccm，沉积温 度为800-860℃；

步骤二

以HfO₂为原料，将步骤一制得的半导体纳米带分散在清洁干净的Si/SiO₂衬底上，用原 子层沉积法在分散的半导体纳米带上覆盖一层厚度为5-20nm，优选为5-15nm的HfO₂层；

步骤三

在步骤二所得带有介电层的半导体纳米带上涂覆一层前驱物膜，然后通过电子束曝光技 术在前驱物膜的设定位置上得到设定尺寸的纳米圆洞阵列结构，所述前驱物选自聚甲基丙烯 酸甲酯、甲基丙烯酸甲酯中的一种；所述纳米圆洞阵列结构中，圆洞的直径为280-320nm、 周期为580-620nm；

步骤四

在步骤三所得带有设定尺寸的纳米圆洞阵列结构的半导体纳米带上蒸镀一层厚度为 40-60nm的金属膜，将多余的金属膜与前驱物膜一起剥离即得到所述光波导分束器，单颗Au 纳米颗粒的其直径d为250-350nm，优选为300nm，相邻金属纳米颗粒的圆心距(周期p) 为550-650nm,优选为600nm，厚度h为30-100nm，优选为50nm。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器的制备方法，步骤 一所得CdS纳米带为高结晶质量、形貌规整的CdS纳米带。

本发明为一种基于金属-介电层-半导体复合纳米结构的光波导分束器的制备方法，所制 备的光波导分束器，在室温下，用488nm波长的Ar离子激光器通过光纤耦合到扫描近场光 学显微镜(SNOM)中，在放大倍数为100的物镜下局域激发已制备的复合纳米结构的CdS 纳米带，其原位510nm波长荧光和端部出射的波导光由可见CCD观测。

原理和优势

本发明所设计的光波导分束器，利用半导体纳米带可作为高折射率的有源波导腔的性质， 通过激光激发纳米带产生荧光，其荧光在纳米带内传播的过程中与纳米带上方直径为300nm 的Au纳米圆盘相互耦合使Au纳米圆盘表面电荷极化，产生局域表面等离激元。由于局域表 面等离激元的固有内在损耗，使得Au纳米圆盘下方的波导光减弱，而没有Au纳米圆盘下方 的波导光则可以不受阻碍地继续向前传播，从而纳米带内的波导光相当于沿着Au纳米圆盘 之间的间隙传播，即沿着宽度为Au纳米圆盘阵列的半周期——300nm的通道传播。此宽度 值接近CdS纳米带室温下荧光的半波长——510nm/2，属于亚波长尺度，更利于集成小尺度 的光器件，但更小的通道宽度则会导致荧光传播过程损耗太大，不利于光的传播。Au纳米圆 盘与半导体纳米带中间的介电层可以防止金属与半导体直接接触而产生荧光淬灭，使得波导 光能传播更长的距离。因此对于单个复合结构而言，纳米带内的波导光沿着多个亚波长通道 传播，当光波传播致没有Au纳米圆盘的位置时，由于光学的衍射和干涉的同时作用，纳米 带端部的出射光以多个光点的形式出射，类似于多光束干涉，出射光点的数目可由离半导体 层端部最近的Au纳米颗粒到半导体层端部的距离调节。此外该结构的光波导分束器的金属 层的形貌和尺寸参数可根据半导体纳米带材料或者波导光波长的改变而调节。由此可见本发 明的光波导分束器具有结构设计灵活，可实现基于单根纳米带的光波导分束和亚波长尺度的 多光束干涉等优势，在光集成器件技术领域有重要意义。

附图说明：

附图1为本发明所设计的光波导分束器的SEM图片；

附图2a为实施例1所制备光波导分束器的AFM图；

附图2b为沿附图2a中白色虚线，所测得光波导分束器厚度的分布图

附图3为基于有限元方法模拟的器件内光波导电场强度分布图；

附图4.a.光学显微镜下钨灯宽照一个代表性的光波导分束器的暗场散射图片；

附图4b.在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发该器件的暗场光波导照片；附图4 b右侧的插图为相应的分束器末端的出射光图像的放大图；

附图5.纳米带端部出射的光点数随着Au纳米圆盘阵列排数改变而变化的实验结果图；

其中

附图5a为Au纳米圆盘阵列排数为2时，光波导分束器的SEM图，其比例尺为2μm； 附图5b为Au纳米圆盘阵列排数为2时，在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发相应 的器件的暗场光波导照片，其比例尺为2μm；

附图5b右侧的插图为相应的分束器末端的出射光图像的放大图；

附图5c为Au纳米圆盘阵列排数为3时，光波导分束器的SEM图，其比例尺为3μm；

附图5d为Au纳米圆盘阵列排数为3时，在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发 相应的器件的暗场光波导照片，其比例尺为3μm；

附图5d右侧的插图为相应的分束器末端的出射光图像的放大图；

附图5e为Au纳米圆盘阵列排数为4时，光波导分束器的SEM图，其比例尺为3μm； 附图5f为Au纳米圆盘阵列排数为4时，在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发相应 的器件的暗场光波导照片，其比例尺为3μm；附图5f右侧的插图为相应的分束器末端的出 射光图像的放大图；

附图5g-i是基于有限元方法模拟的与实验制备器件对应的纳米带内光波导电场强度分布 图；

附图6.相同排数的Au纳米圆盘阵列的纳米带端部出射的光点数随着多光束干涉距离改 变而变化的实验结果图；

其中

图6a为3排Au纳米圆盘阵列的光波导分束器末端的SEM图(Au纳米圆盘阵列到半导 体层端部的距离为1.5μm)，其比例尺为3μm；图6b为图6a所对应的光波导分束器在SNO M下，用488nm波长的激光局域激发相应的器件的暗场光波导照片(比例尺为3μm)，插图 为相应的光波导分束器末端的出射光图像的放大图；

图6c为3排Au纳米圆盘阵列的光波导分束器末端的SEM图(Au纳米圆盘阵列到半导 体层端部的距离为2.2μm)，其比例尺为3μm；图6d为图6c所对应的光波导分束器在SNO M下，用488nm波长的激光局域激发相应的器件的暗场光波导照片(比例尺为3μm)，插图 为相应的光波导分束器末端的出射光图像的放大图；

图6e为3排Au纳米圆盘阵列的光波导分束器末端的SEM图(Au纳米圆盘阵列到半导 体层端部的距离为4.2μm)，其比例尺为3μm；图6f为图6e所对应的光波导分束器在SNO M下，用488nm波长的激光局域激发相应的器件的暗场光波导照片(比例尺为3μm)，插图 为相应的光波导分束器末端的出射光图像的放大图。

从图1中可以看出本发明所设计的光波导分束器的结构。

从图2中可以看出制备的光波导分束器的结构参数与设计的结构参数基本一致。

从图3可以看出这种CdS纳米带-HfO₂介电层-Au纳米圆盘阵列复合纳米结构的光波导分 数功能，即这种对于这种复合纳米结构，光在单根纳米带中的传播相当于多束光在多通道的 光学微腔中传播。

结合图4a、图4b可以看出实验上依据理论设计的参数值所制备的光波导分束器确实能 实现光波导分束功能。

结合图5a、图5b、图5c、图5d、图5e、图5f可以看出纳米带端部出射的光点数可由调 Au纳米圆盘阵列排数调控，结合图5g、图5h、图5i当光传播至没有Au纳米圆盘阵列的位 置时，由于没有了Au纳米圆盘阵列的限制，多光束之间会发生干涉。

结合图6a、图6b、图6c、图6d、图6e、图6f可以看出：对于相同排数的Au纳米圆 盘阵列，纳米带端部出射的光点数还可以由多光束之间的干涉距离调控。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步描述：

实施例1

步骤一

用化学气相合成法(CVD)制备高结晶质量、形貌规整的厚度约为100nm的CdS纳米带， 所用原料为商业高纯(99.9％)CdS粉末，以高纯(98％)H₂气为载气，流速为2sccm，沉 积温度为810℃。

步骤二

将制得的纳米带分散在实现清洁干净的Si/SiO₂(200nm)衬底上，用原子层沉积法(ALD) 在分散的CdS纳米带上覆盖一层15nm厚HfO₂介电层。

步骤三

再在包覆了HfO₂介电层的CdS纳米带上用电子束曝光设备通过电子束的高能量分解前 驱物(聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、甲基丙烯酸甲酯(MMA))的方法制备直径为300nm、 周期为600nm的纳米圆洞阵列结构。

步骤四

通过蒸发式真空镀膜机以Au为蒸发源，在制备有纳米圆洞阵列的样品表面镀一层厚度 为50nm的Au膜，将多余的Au膜与前驱物一起剥离即制备出Au纳米圆盘阵列结构。

所得CdS纳米带-HfO₂介电层-Au纳米圆盘阵列复合纳米结构的整体形貌如图1的SEM 表征所示。相应的AFM图片(图2)表明实验制备的光波导分束器的结构参数与设计的结构 参数基本一致。图3是基于有限元方法模拟的器件内光波导电场强度分布图，可以比较直观 地说明这种CdS纳米带-HfO₂介电层-Au纳米圆盘阵列复合纳米结构的光波导分数功能，即这 种对于这种复合纳米结构，光在单根纳米带中的传播相当于多束光在多通道的光学微腔中传 播，当光传播至没有Au纳米圆盘阵列的位置时，由于没有了Au纳米圆盘阵列的限制，多光 束之间会发生干涉。图4a是光学显微镜下用钨灯宽照一个代表性的光波导分束器的暗场散 射图片，图4b是在SNOM下，用488nm波长的激光局域激发该器件的暗场光波导照片，插 图是纳米带端部出射光图片的放大图，可以清晰地看见相对于单独的CdS纳米带，该复合结 构中的纳米带端部的出射光出现了分点现象，说明该结构确实具有光分束作用。图5a-f是纳 米带端部出射的光点数随着Au纳米圆盘阵列排数改变的实验结果图，将此复合结构的Au纳 米圆盘阵列排数依次按照2，3，4改变证明纳米带端部出射的光点数可由调Au纳米圆盘阵 列排数调控,图5g-i是基于有限元方法模拟的相应尺寸的器件内光波导电场强度分布图，发 现与实验结果相符，并可以清晰的地看见多光束在传播致没有Au纳米圆盘阵列的位置时将 产生干涉现象，且不同的距离会产生不同的干涉现象。图6是相同排数的Au纳米圆盘阵列 的纳米带端部出射的光点数随着多光束干涉距离改变的实验结果图，三个代表性的样品的多 光束干涉距离分别为1.5μm，2.2μm，4.2μm，纳米带端部出射的光点数也不同，说明对于 相同排数的Au纳米圆盘阵列，纳米带端部出射的光点数还可以由多光束之间的干涉距离调 控。