Metamaterialer er strukturer under bølgelængden, som for nylig har muliggjort mange nye optiske anvendelser med en mere kompakt formfaktor end traditionelle modstykker.1-6 Med de reducerede funktionsstørrelser og skalering af disse nye optiske enheder vil mange anvendelser opnå højere ydeevne, hvis der kan skabes nanostrukturer med en høj skadetærskel til at håndtere høje optiske kræfter. Sådanne anvendelser omfatter bl.a: LIDAR-komponenter, der muliggør højere lasereffekt til detektion over længere afstand, flade linser i laserbaserede defektinspektionssystemer til halvlederindustrien og dielektriske laseracceleratorer (DLA), der har potentiale til dramatisk at reducere både størrelsen og omkostningerne ved systemer (herunder medicinsk billeddannelse og terapi, XUV-litografi osv.) centreret omkring partikelstråler med høj energi.7-13
Galliumoxid (Ga2O3) er et relativt nyudviklet halvledende oxid med bredt båndgab med mange forskellige egenskaber. Ga2O3 har vist sit potentiale som et gennemsigtigt ledende oxid (TCO) til dybe UV-fotodetektorer og højtydende elektronik.14-24 I denne artikel udnytter vi Ga2O3’s høje laserskadetærskel25, 26 og moderate ledningsevne til at demonstrere de første Ga2O3-nanostrukturer, der er fremstillet med en kompakt laserdrevet elektronaccelerator. At være en TCO med høj optisk effekttolerance kunne potentielt gøre Ga2O3 til en ideel kandidat til både laseraccelerator-nanostrukturer (DLA) og andre metamaterialeapplikationer, såsom plasmonik med lavt tab.3 Desuden analyserer vi potentialet af Ga2O3 som en tyndlagsbelægning for Si-nanostrukturer for potentielt at forbedre ydeevnen af Si-baserede dielektriske laseracceleratorer (DLA).
hvor Ez (z (t),t) er det elektriske felt in situ i realtid, som elektronerne oplever i elektronernes udbredelsesretning. fA (=Gacc/Einc) kaldes feltforholdet, som er en geometriafhængig parameter, der er uafhængig af Einc, hvor Einc er amplituden af det indfaldende elektriske laserfelt. For hvert givet Einc er der et eller flere steder i gitterstrukturen, hvor den højeste maksimale elektriske feltamplitude, Emax, er placeret. Den geometriafhængige forstærkningsfaktor er defineret som η = Emax/Einc. Ethreshold (=max{Emax} = η max{Einc}) er den maksimale elektriske feltamplitude i strukturen lige før det optiske felts nedbrydning. En anden vigtig parameter, skadesfaktoren DF = f A η = G acc E max , anvendes til at karakterisere, hvor effektivt gitteret tjener som fasemaske til at udnytte det indfaldende elektriske felt til at accelerere elektroner, samtidig med at det ikke har for mange hot spots i den elektriske feltfordeling til at overleve en høj Einc. For at opnå en effektiv kobling af feltet til elektronerne er gitterperioden underlagt fasematching-begrænsningen Λ = βλ, hvor λ er drivlaserens bølgelængde og β er elektronernes hastighed normaliseret til lysets hastighed, c. De geometriske parametre, der definerer DLA-gitteret, er gitterbredden w, dybden d og perioden Λ. Tidscyklusen er defineret som w/Λ.
Vi anvender en finite-difference time-domain (FDTD)-metode til at optimere både feltforholdet, fA, og skadesfaktoren, DF. Vi optimerer bredden, w, og dybden, d, for maksimal accelerationsgradient af Ga2O3 DLA’er ved β = 0,54, idet vi antager en laserbølgelængde på 2,0 µm. De optimerede funktionelle størrelser har d = 600 nm og w/Λ = 50 %. Både fA og DF falder med mindre end 10 % med tolerancevinduer på henholdsvis 600 ± 100 nm og 50 ± 10 % for dybde og duty cycle.
Figur 1b viser drivlaseren, der normalt falder ind på den fremstillede gitteranordning. Den drivlaser, der er anvendt i dette forsøg (angivet med rødt med pilen, der viser laseren k → vektor), har en bølgelængde på 2,0 µm med en impulsvarighed på 250 fs og en gentagelsesfrekvens på 100 kHz. Elektronstrålen bevæger sig lodret fra top til bund. Figur 1c viser en skematisk oversigt over den laserdrevne elektronacceleratorforsøgsopstilling. Den pulserende elektronstråle genereres af UV-laserpulser, der er synkroniseret med drivlaseren, og som rammer en flad kobberfotokatode, hvorved der produceres en elektronbunke på 1 ± 0,2 ps. Elektronerne fokuseres af en magnetisk linse til en punktstørrelse på 700 ± 100 nm i vekselvirkningspunktet (spidsen af den røde pil i figur 1b). Elektronerne vekselvirker med drivlaseren nær overfladen af gitteret. Elektronstrålen bevæger sig gennem strukturen til et magnetisk spektrometer og rammer en mikrokanalplade (MCP-detektor), hvor elektronernes energispektrum måles med en energiopløsning på 40 eV. Detaljer om fremstillingen af safir- og Ga2O3-nanostrukturerne er beskrevet i det eksperimentelle afsnit. Figur 1d-f viser SEM-billeder af safir- og Ga2O3-nanostrukturerne. Zoomede billeder af hver af dem er vist i henholdsvis figur 1e-g.
Elektronspektrene målt i MCP’en for både safir og Ga2O3 DLA’er er vist i figur 2a-d. Den vandrette akse er den langsgående energimodulation i forhold til den oprindelige elektronenergi på 96,3 keV (β = 0,54). Den lodrette akse er elektronafbøjning i mrad. Billederne “Laser slukket” i figur 2a,b viser fordelingen af elektrontætheden i fravær af laser-elektron-interaktion. I modsætning hertil viser “Laser On”-billederne (figur 2c,d) to tydelige haler på hver side af fordelingen. Disse haler er sammensat af decelererede og accelererede elektroner. Ud fra den ladningstæthed, der er vist i figur 2a-d, plotter vi det normaliserede antal elektroner som en funktion af energimodulationen i figur 2e,f. Udtyndingen af elektrontætheden i den centrale energitop for laser on-kurven (i rødt) sammenlignet med laser off-kurven (i blåt) indikerer, at elektronerne oprindeligt ved denne centrale energi har oplevet energitilvækst eller energitab som følge af interaktion med drivlaseren. Den maksimale energiforøgelse af safir-DLA’en var 1 ± 0,1 keV over en vekselvirkningsafstand på 18 µm, hvilket giver en accelerationsgradient på 56 ± 6 MeV m-1 ved en Einc på 3,1 GV m-1. Den maksimale energitilvækst for Ga2O3 DLA’en er 2,4 ± 0,1 keV over en vekselvirkningsafstand på 23 µm, hvilket giver en accelerationsgradient på 104 ± 4 MeV m-1 ved en Einc på 2,4 GV m-1.
Dette er de første vellykkede demonstrationer af laserdreven elektronacceleration med halvledende Ga2O3-nanostrukturer med bredt båndgab med halvledende Ga2O3-nanostrukturer. Accelerationsgradienten for denne gitterbaserede Ga2O3 DLA er næsten dobbelt så stor som for safirstrukturen. Vi antager, at Ga2O3’s højere ledningsevne gør det muligt for elektronerne at komme tættere på gitterets overflade, hvilket resulterer i højere accelerationsfelter på grund af nærfeltets eksponentielle henfald i gitteret.8, 9, 27 Den målte LIDT er 0,36 ± 0,04 J cm-2 for Ga2O3-gitter både i vakuum og i luft, hvilket er sammenligneligt med safirgitteret (0,40 ± 0,04 J cm-2). Den maksimale Einc før beskadigelse er således 3,3 GV m-1 for Ga2O3-gitter ved anvendelse af laserparametre med en bølgelængde på 2,0 µm, en pulsvarighed på 250 fs og en gentagelsesfrekvens på 100 kHz. (LIDT-målinger er beskrevet i det eksperimentelle afsnit). Den Ga2O3 DLA, der er demonstreret her, blev drevet ved en laserfluens på 0,19 J cm-2, langt under deres LIDT, for at sikre stabil drift.
Silicium er langt det mest udviklede, billigste og største waferdiametermateriale, der gør det muligt at fremstille komplekse, præcise nanostrukturer. Heldigvis er det også en meget effektiv fasemaske ved bølgelængder fra det synlige til det midt-infrarøde område på grund af dets forholdsvis høje brydningsindeks. Vi foreslår derfor, at vi udnytter Ga2O3’s højere LIDT-værdi, der er omtalt ovenfor, til at forbedre Si-nanostrukturers ydeevne. Dette kan opnås ved at tilføje en tynd Ga2O3-belægning til en Si-gitterstruktur, som fungerer som et feltreduktionslag (figur 3a,b). Reduktionen af den lokale feltforøgelse ved de skarpe kanter er bemærkelsesværdig. Desuden har det ideelle materiale til en Si AR-belægning et indeks på ≈1,85. Ga2O3 har et brydningsindeks på 1,9 i NIR. Her vælger vi et konformt Ga2O3-belægningslag på 30 nm til Si-gitteret. 30 nm er valgt som en afvejning mellem følgende faktorer: 1) Tykkere film (f.eks. kvartbølgelag) giver en bedre antirefleksbelægning (AR), men vil markant reducere fA og dermed føre til lavere Gacc. 2) Tyndere film giver ikke en betydelig feltreduktion.
Figur 3a viser den beregnede elektriske feltfordeling i nærheden af en Si-gitterstruktur, der er konstrueret til en 2,0 µm drivlaserbølgelængde. Man kan se på figur 3b, at ved at tilføje en Ga2O3-belægning på 30 nm reduceres feltforstærkningsfaktoren η = Emax/Einc med 2,9 gange (ved at sammenligne belagte vs. ikke-belagte prøver). Hotspots opstår nu ved Ga2O3-overfladen i stedet for Si-overfladen, og Ga2O3 i tyndfilm kan potentielt tolerere en højere Einc end Si-strukturen i bulk. I teorien, hvis LIDT kun bestemmes af det indfaldende elektriske felts amplitude, idet η = Emax/Einc reduceres med 2,9 gange med en fA-reduktion på mindre end 1 % ved at tilføje dette tynde lag Ga2O3 illustreret i FDTD-simuleringen, stiger DF = fA/η = Gacc/Emax med 2,9 gange, som vist i figur 3c,d.
I et sæt af vores LIDT-målinger fandt vi, at der ikke blev observeret nogen ændring af LIDT (0,04 J cm-2) ved brug af en laser med 250 fs, 100 kHz gentagelsesfrekvens og 2 µm bølgelængde. I et andet sæt eksperimenter med 100 fs, 1 kHz gentagelsesfrekvens, 2 µm bølgelængde laser, stiger max{Einc} fra 0,83 GV m-1 (Si DLA) til 1,52 GV m-1 (belagt Si DLA). I det første sæt eksperimenter med en højere gentagelsesfrekvens og en længere pulsvarighed på 250 fs mener vi, at termiske virkninger, såsom termisk smeltning, bidrager til den laserinducerede skade. I det andet sæt eksperimenter mener vi, at skaden sandsynligvis er feltinduceret skade med reducerede termiske virkninger på grund af den lavere gentagelsesfrekvens på 1 kHz. Disse resultater fortjener yderligere undersøgelser af laserskader og en bedre udvikling af filmkvaliteten i fremtiden.
Sammenfattende demonstrerede vi Ga2O3 fremstillede nanostrukturer med en høj laserinduceret skadetærskel (LIDT) på 0,36 ± 0,04 J cm-2, der kan sammenlignes med safir. Desuden rapporterer vi demonstrationen af en elektronaccelerator baseret på Ga2O3-nanostrukturer, som giver en accelerationsgradient på 104 ± 4 MeV m-1, der overstiger dem, der er mulige med konventionelle RF-acceleratorer på grund af Ga2O3’s høje nedbrydningstærskel. Desuden viser vi potentialet i tyndtlagslagsbelægninger som feltreduktionslag til Si-nanostrukturer for potentielt at forbedre den effektive LIDT og ydeevnen af Si-baserede nanostrukturer. Disse resultater viser den lovende optiske anvendelse af Ga2O3-nanostrukturer med høj effekt som en miniaturiseret laserdrevet elektronaccelerator. Med Ga2O3’s særlige elektriske og optiske egenskaber kombineret med fremskridt inden for fremstillings- og wafervækstteknikker vil flere nye optiske applikationer med høj effekt baseret på Ga2O3 blive realiseret i den nærmeste fremtid.