基于飞秒激光诱导的深亚波长表面结构衬底的纳米线阵列制备和性能研究

Combined chemical vapor deposition (CVD) method, femtosecond laser technique and chemical etching technique, we attempt to pattern substrates , for example, Si wafer, GaAs, Al2O3, GaN, with deep subwavelength structure surfaces induced by femtosecond laser, then synthesis nanowire arrays on the patterned substrates by CVD method,such as ZnO nanowire arrays,via adjusting the technological parameters and adopting suitable pre-treated substrates. Further, we intend to research the structures, optical and photoelectric properties of the products, as well as the intermodulation relationship between the deep subwavelength structure surfaces and ZnO nanowire arrays on the functions and growth mechanisms of ZnO nanowire arrays. According to experimental data, we could propose reasonable physical mechanisms, establish relevant physical models and employ finite difference-time domain analysis (FDTD) to validate them. Finally, we could be able to fabricate ZnO nanowire arrays with higher quality and more excellent propertie by optimizing the experimental programs. This intergration of nanostructures and deep subwavelength structure surfaces induced by femtosecond laser may bring numerous unique experimental phenomena and fantastic performance, in addition, have great potential applications and important significance on photonics devices, nanowire based lasers, biology, sensors,data storage and so on.

结合化学气相沉积法、飞秒激光技术、化学腐蚀法，采用飞秒激光技术制备衬底（Si, GaAs, Al2O3, GaN等）表面上的深亚波长结构，并以这种图案结构作为衬底，在化学气相沉积法中通过调整工艺参数和选择合适的衬底材料，制备具有深亚波长结构表面衬底上的纳米线阵列,如ZnO纳米线阵列，分析研究产物的结构、光学、光电等性能，以及衬底表面的深亚波长结构与ZnO纳米线阵列在生长、性能方面的相互调制作用，提出合理的物理机制，建立物理模型，采用时域有限差分法(FDTD)数值计算和模拟方法进行验证，优化实验方案，以期制备高质量、性能优越的ZnO纳米线阵列。这种超快激光诱导的亚波长结构表面与一维纳米材料相结合，更将产生许多新奇的实验现象和新性能，有望在光电子器件、激光器、生物、传感、存储等领域具有重要的应用价值和学术意义。

近年来，功能纳米材料作为光电子纳米器件的基础，受到了广泛关注。有效地大面积制备纳米线阵列一直是需要攻克的难点。而超快激光因其独特的超强、超快特性和广阔的应用领域，其与物质相互作用的机理和应用已经成为新兴的多学科交叉前沿研究热点。本项目结合化学气相沉积法、飞秒激光技术、化学方法等手段，探索在衬底上制备具有深亚波长结构的图案化衬底，对氧化锌（ZnO）纳米结构实施调控生长的有效方法，以及用超快激光诱导产生金属纳米粒子，有效优化氧化锌纳米线结构的性能，极大增强了氧化锌纳米结构的荧光特性；将飞秒激光直接与氧化锌纳米结构作用，观察到飞秒激光激发了氧化锌纳米结构的荧光发光现象，在场发射电子显微镜（FESEM）下的阴极射线荧光发光（CL）装置中，测到氧化锌纳米结构强烈的发光像和发光光谱，与前面的研究结果一致；并将超快激光照射在氧化锌纳米线上，氧化锌纳米线表现出了优良的光波导特性。而具有纳米尺度粗糙度表面的ZnO纳米微腔，则因光波波长与这些反射表面上的纳米量级的微小扰动尺度相近，发生光波的漫反射现象，出现莲花状的荧光特性，而不是传统的回音壁模式的发光特性。这些研究成果对探索基于超快激光与物质相互作用，对纳米材料器件的自组装进行可调谐控制、对其性能进行改进，拓展纳米材料在光通信、光波导、纳米激光器、纳米器件等应用领域的研究，以及对超快激光与纳米材料相互作用的机理研究和应用有重要的价值。