Metamateriais são estruturas de sub-comprimento de onda que recentemente possibilitaram muitas novas aplicações ópticas com um fator de forma mais compacto do que os equivalentes tradicionais.1-6 Com o tamanho reduzido dos recursos e a escala destes novos dispositivos ópticos, muitas aplicações alcançarão maior desempenho se nanoestruturas com um alto limiar de dano para lidar com altas potências ópticas puderem ser criadas. Tais aplicações incluem: Componentes LIDAR que permitem maior potência do laser para detecção de longo alcance, lentes planas em sistemas de inspeção de defeitos baseados em laser para a indústria de semicondutores e aceleradores dielétricos a laser (DLA) que têm o potencial de reduzir drasticamente tanto o tamanho quanto o custo dos sistemas (incluindo imagens e terapia médica, litografia XUV, etc.) centrados em torno de feixes de partículas de alta energia.7-13
Óxido de gálio (Ga2O3) é um óxido semicondutor de banda larga relativamente recém-desenvolvido com muitas propriedades distintas. Ga2O3 demonstrou o seu potencial como um óxido condutor transparente (TCO) para fotodetectores UV profundos e electrónica de alta potência.14-24 Neste artigo, aproveitamos o elevado limiar de dano por laser25, 26 e condutividade moderada de Ga2O3 para demonstrar as primeiras nanoestruturas Ga2O3 produzidas por acelerador de electrões compacto movido a laser. Sendo um TCO com alta tolerância de potência óptica pode potencialmente tornar Ga2O3 um candidato ideal tanto para nanoestruturas de aceleradores laser (DLA) como para outras aplicações de metamateriais, tais como plasmônicos de baixa perda.3 Além disso, analisamos o potencial do Ga2O3 como um revestimento de camada fina para nanoestruturas de Si para potencialmente melhorar o desempenho de aceleradores laser dielétricos à base de Si (DLA).
where Ez (z (t),t) é o campo elétrico em tempo real in situ experimentado pelos elétrons na direção da propagação dos elétrons. fA (=Gacc/Einc) é chamado de razão de campo, que é um parâmetro dependente da geometria independente do Einc, onde Einc é a amplitude do campo elétrico incidente do laser. Para cada Einc dado, há um ou mais pontos dentro da estrutura da grade onde a maior amplitude de pico do campo elétrico, Emax, está localizada. O fator de melhoria dependente da geometria é definido como η = Emax/Einc. Ethreshold (=max{Emax} = η max{Einc}) é a amplitude máxima do campo eléctrico dentro da estrutura imediatamente antes da quebra do campo óptico. Outro parâmetro importante, o fator de dano DF = f A η = G acc E max , é usado para caracterizar quão eficazmente as grades servem como uma máscara de fase para utilizar o campo elétrico incidente para acelerar elétrons enquanto não possui muitos pontos quentes na distribuição do campo elétrico para sobreviver a um alto Einc. Para o acoplamento eficiente do campo aos elétrons, o período da grade está sujeito à restrição de correspondência de fase, Λ = βλ, onde λ é o comprimento de onda do laser de acionamento e β é a velocidade do elétron normalizada à velocidade da luz, c. Os parâmetros geométricos que definem a grade DLA são a largura, w, profundidade, d e período da grade, Λ. O ciclo de trabalho é definido como w/Λ.
Usamos um método de dominância temporal de diferença finita (FDTD) para otimizar tanto a relação de campo, fA e fator de dano, DF. Optimizamos a largura, w e profundidade, d para o gradiente máximo de aceleração de DLAs Ga2O3 em β = 0,54, assumindo um comprimento de onda do laser de 2,0 µm. Os tamanhos optimizados das características têm d = 600 nm e w/Λ = 50%. Ambos fA e DF diminuem menos de 10% com janelas de tolerância de 600 ± 100 nm e 50 ± 10% para profundidade e ciclo de trabalho, respectivamente.
Figure 1b mostra o laser de accionamento normalmente incidente sobre o dispositivo de grelha fabricado. O laser de accionamento utilizado nesta experiência (indicado a vermelho com a seta mostrando o laser k → vector) tem um comprimento de onda de 2,0 µm, com uma duração de impulso de 250 fs e uma taxa de repetição de 100 kHz. O feixe de elétrons viaja verticalmente de cima para baixo. A Figura 1c mostra um esquema da configuração experimental do acelerador de electrões accionado por laser. O feixe de elétron pulsado é gerado por pulsos de laser UV sincronizados com o laser de acionamento, o que ocorre em um fotocátodo de cobre plano, produzindo um feixe de elétrons de 1 ± 0,2 ps. Os elétrons são focalizados por uma lente magnética até um ponto de 700 ± 100 nm no ponto de interação (a ponta da seta vermelha na Figura 1b). Os elétrons interagem com o laser de acionamento próximo à superfície da grade. O feixe de elétrons percorre a estrutura até um espectrômetro magnético e é incidente em um detector de microchannel plate (MCP) onde o espectro de energia de elétrons é medido com uma resolução de energia de 40 eV. Os detalhes de fabricação das nanoestruturas de safira e Ga2O3 são descritos na Seção Experimental. A Figura 1d-f mostra as imagens SEM da safira e das nanoestruturas de Ga2O3. As vistas ampliadas de cada uma delas são mostradas na Figura 1e-g, respectivamente.
Os espectros de elétrons medidos no MCP tanto para safira quanto para DLAs de Ga2O3 são mostrados na Figura 2a-d. O eixo horizontal é a modulação de energia longitudinal em relação à energia eletrônica inicial de 96,3 keV (β = 0,54). O eixo vertical é a deflexão dos elétrons em mrad. As imagens “Laser Off” da Figura 2a,b mostram a distribuição da densidade de elétrons na ausência da interação laser-eletrônica. Em contraste, as imagens “Laser On” (Figura 2c,d) mostram duas caudas distintas em cada lado da distribuição. Estas caudas são compostas por elétrons desacelerados e acelerados. A partir da densidade de carga mostrada na Figura 2a-d, plotamos a contagem normalizada de elétrons em função da modulação energética na Figura 2e,f. O esgotamento da densidade de elétrons no pico de energia central para a curva laser on (em vermelho), quando comparado com a curva laser off (em azul) indica que os elétrons inicialmente nessa energia central experimentaram ganho ou perda de energia devido à interação com o laser de acionamento. O ganho máximo de energia da safira DLA foi de 1 ± 0,1 keV numa distância de interacção de 18 µm, o que dá um gradiente de aceleração de 56 ± 6 MeV m-1 a um Einc de 3,1 GV m-1. O ganho máximo de energia do Ga2O3 DLA é de 2,4 ± 0,1 keV sobre uma distância de interação de 23 µm, produzindo um gradiente de aceleração de 104 ± 4 MeV m-1 a um Einc de 2,4 GV m-1.
Estas são as primeiras demonstrações bem sucedidas de aceleração electrónica a laser com nanoestruturas de Ga2O3 semicondutoras de banda larga. O gradiente de aceleração desta grade baseada em Ga2O3 DLA é quase o dobro do da estrutura de safira. Hipotejamos que a maior condutividade do Ga2O3 permite uma aproximação mais próxima dos elétrons à superfície da grade, resultando em maiores campos de aceleração devido à natureza de decaimento exponencial do campo próximo nas grades.8, 9, 27 O LIDT medido é 0,36 ± 0,04 J cm-2 para grades de Ga2O3 tanto no vácuo como no ar, o que é comparável ao das grades de safira (0,40 ± 0,04 J cm-2). O Einc máximo antes de ocorrer dano é assim 3,3 GV m-1 para as grelhas Ga2O3, utilizando parâmetros laser de um comprimento de onda de 2,0 µm, com uma duração de pulso de 250 fs e taxa de repetição de 100 kHz. (As medições LIDT estão descritas na Secção Experimental). O Ga2O3 DLA demonstrado aqui foi operado com uma fluência de laser de 0,19 J cm-2, muito abaixo do seu LIDT para garantir uma operação estável.
Silício é, de longe, o material mais desenvolvido, menos caro e de maior diâmetro de bolacha que permite a fabricação de nanoestruturas complexas e precisas. Fortuitamente, é também uma máscara de fase muito eficiente em comprimentos de onda do visível ao médio infravermelho, devido ao seu índice de refração comparativamente alto. Portanto, propomos alavancar o LIDT superior de Ga2O3 discutido acima para melhorar o desempenho das nanoestruturas de Si. Isto poderia ser conseguido adicionando uma camada fina de Ga2O3 a uma estrutura gradeada de Si, que atua como uma camada de redução de campo (Figura 3a,b). A redução do realce do campo local nas bordas afiadas é notável. Além disso, o material ideal para um revestimento de Si AR tem um índice de ≈1.85. Ga2O3 tem um índice de refracção de 1,9 em NIR. Aqui, escolhemos uma camada de revestimento conforme Ga2O3 de 30 nm para a grade de Si. 30 nm é escolhido como um trade-off entre os seguintes fatores: 1) Películas mais espessas (como camadas de quarto de onda) fornecem um melhor revestimento anti-reflexo (AR), mas reduzirá acentuadamente o fA e, portanto, levará a uma menor Gacc. 2) Películas mais finas não fornecem uma redução significativa do campo.
Figure 3a mostra a distribuição do campo eléctrico calculado perto de uma estrutura de graduação de Si concebida para um comprimento de onda de 2,0 µm de accionamento laser. Pode-se ver na Figura 3b que adicionando um revestimento de 30 nm Ga2O3, o fator de melhoria do campo η = Emax/Einc é reduzido em 2,9 vezes (comparando amostras revestidas vs. não revestidas). Os hotspots agora ocorrem na superfície do Ga2O3 ao invés da superfície do Si, e o filme fino Ga2O3 poderia potencialmente tolerar um Einc mais alto do que a estrutura do Si a granel. Em teoria, se o LIDT é determinado apenas pela amplitude do campo elétrico incidente, dado η = Emax/Einc é reduzido em 2,9 vezes com uma redução de fA inferior a 1% pela adição desta fina camada de Ga2O3 ilustrada na simulação FDTD, DF = fA/η = Gacc/Emax aumenta em 2,9 vezes como mostrado na Figura 3c,d.
Em um conjunto de nossas medidas de LIDT, verificamos que nenhuma mudança de LIDT (0,04 J cm-2) foi observada ao usar um laser de 250 fs, taxa de repetição de 100 kHz, 2 µm de comprimento de onda. Em outro conjunto de experiências com laser de 100 fs, taxa de repetição de 1 kHz, 2 µm de comprimento de onda, o max{Einc} aumenta de 0,83 GV m-1 (Si DLA) para 1,52 GV m-1 (Si DLA revestido). No primeiro conjunto de experiências com uma taxa de repetição mais elevada e duração de pulso mais longa de 250 fs, acreditamos que os efeitos térmicos, como o derretimento térmico, contribuem para os danos induzidos pelo laser. No segundo conjunto de experimentos, acreditamos que os danos são provavelmente induzidos pelo campo com efeitos térmicos reduzidos devido à menor taxa de repetição de 1 kHz. Estes resultados merecem mais estudos de danos induzidos pelo laser e um melhor desenvolvimento da qualidade do filme no futuro.
Em resumo, demonstramos nanoestruturas fabricadas em Ga2O3 com um alto limiar de dano induzido por laser (LIDT) de 0,36 ± 0,04 J cm-2, comparável ao da safira. Além disso, relatamos a demonstração de um acelerador de elétrons baseado em nanoestruturas de Ga2O3, que proporciona um gradiente de aceleração de 104 ± 4 MeV m-1, excedendo os possíveis com aceleradores RF convencionais devido ao alto limiar de ruptura de Ga2O3. Além disso, mostramos o potencial dos revestimentos de camada fina como camadas de redução de campo para as nanoestruturas de Si para potencialmente melhorar o LIDT eficaz e o desempenho das nanoestruturas baseadas em Si. Estes resultados demonstram a promissora aplicação óptica de alta potência das nanoestruturas de Ga2O3 como um acelerador de electrões miniaturizado a laser. Com as distintas propriedades eléctricas e ópticas do Ga2O3 combinadas com os avanços na fabricação e técnicas de crescimento de wafers, mais novas aplicações ópticas de alta potência baseadas no Ga2O3 serão realizadas num futuro próximo.