Metamateriaalit ovat aallonpituuden alapuolella olevia rakenteita, jotka ovat hiljattain mahdollistaneet monia uusia optisia sovelluksia, joilla on kompaktimpi muotokerroin kuin perinteisillä vastineilla.1-6 Näiden uusien optisten laitteiden pienentyneen ominaisuuksien koon ja skaalautumisen ansiosta monet sovellukset saavuttavat suuremman suorituskyvyn, jos voidaan luoda nanorakenteita, joilla on korkea vauriokynnys suurten optisten tehojen käsittelemiseksi. Tällaisia sovelluksia ovat mm: LIDAR-komponentit, jotka mahdollistavat suuremman lasertehon pidemmän kantaman havaitsemiseen, litteät linssit puolijohdeteollisuuden laserpohjaisissa vikojen tarkastusjärjestelmissä ja dielektriset laserkiihdyttimet (DLA), joilla on mahdollisuus pienentää huomattavasti sekä kokoa että kustannuksia järjestelmissä (mukaan lukien lääketieteellinen kuvantaminen ja hoito, XUV-litografia jne.), joissa keskitytään suurienergisiin hiukkassäteisiin.7-13

Galliumoksidi (Ga2O3) on suhteellisen hiljattain kehitetty laajan kaistanhalkaisijan omaava johtava oksidi, jolla on monia erityisiä ominaisuuksia. Ga2O3 on osoittanut potentiaalinsa läpinäkyvänä johtavana oksidina (TCO) syvässä UV-valoilmaisimissa ja suuritehoisessa elektroniikassa.14-24 Tässä artikkelissa hyödynnämme Ga2O3:n korkeaa laservahinkokynnystä25, 26 ja kohtalaista johtavuutta demonstroidaksemme ensimmäiset Ga2O3-nanorakenteet, jotka on tuotettu kompaktilla laserohjatulla elektronikiihdyttimellä. Koska Ga2O3 on TCO, jolla on suuri optisen tehon sietokyky, se voisi mahdollisesti tehdä Ga2O3:sta ihanteellisen ehdokkaan sekä laserkiihdyttimen nanorakenteisiin (DLA) että muihin metamateriaalisovelluksiin, kuten matalahäviöiseen plasmoniikkaan.3 Lisäksi analysoimme Ga2O3:n potentiaalia ohutkerrospäällysteisenä pinnoitteena Si-nanorakenteille, jotta voidaan mahdollisesti parantaa Si-pohjaisten dielektristen laserkiihdyttimien (DLA) suorituskykyä.

Käytämme FDTD-menetelmää (finite-difference time-domain) optimoidaksemme sekä kenttäsuhteen fA että vauriokertoimen DF. Optimoimme leveyden, w ja syvyyden, d Ga2O3 DLA:n maksimaalista kiihtyvyysgradienttia varten β = 0,54:ssä olettaen, että laserin aallonpituus on 2,0 µm. Optimoidut ominaisuuksien koot ovat d = 600 nm ja w/Λ = 50 %. Sekä fA että DF pienenevät alle 10 % toleranssiikkunoiden ollessa 600 ± 100 nm ja 50 ± 10 % syvyyden ja käyttöasteen osalta.

Kuvassa 1b näkyy ajolaser, joka tavallisesti osuu valmistettuun ritilälaitteeseen. Tässä kokeessa käytetyn ajolaserin (merkitty punaisella nuolella, joka osoittaa laserin k → vektorin) aallonpituus on 2,0 µm, pulssin kesto 250 fs ja toistotaajuus 100 kHz. Elektronisuihku kulkee pystysuoraan ylhäältä alaspäin. Kuvassa 1c on kaaviokuva laserohjatun elektronikiihdyttimen koejärjestelystä. Pulssielektronisuihku tuotetaan ajolaseriin synkronoiduilla UV-laserpulsseilla, jotka osuvat litteään kupariseen fotokatodiin ja tuottavat 1 ± 0,2 ps:n elektronikimpun. Elektronit fokusoidaan magneettilinssi avulla 700 ± 100 nm:n kokoiseen pisteeseen vuorovaikutuspisteessä (punaisen nuolen kärki kuvassa 1b). Elektronit vuorovaikuttavat ajolaserin kanssa lähellä ritilän pintaa. Elektronisuihku kulkee rakenteen läpi magneettispektrometriin ja osuu mikrokanavalevy-ilmaisimeen (MCP), jossa elektronien energiaspektri mitataan 40 eV:n energiaresoluutiolla. Safiiri- ja Ga2O3-nanorakenteiden valmistuksen yksityiskohdat kuvataan kokeellisessa osassa. Kuvissa 1d-f esitetään safiiri- ja Ga2O3-nanorakenteiden SEM-kuvat. Kuvissa 1e-g on zoomattuja näkymiä kummastakin rakenteesta.

Sekä safiiri- että Ga2O3-DLA:n MCP:ssä mitatut elektronispektrit on esitetty kuvissa 2a-d. Vaaka-akseli on pituussuuntainen energiamodulaatio 96,3 keV:n alkuperäiseen elektronienergiaan nähden (β = 0,54). Pystyakseli on elektronin poikkeama mradissa. Kuvissa 2a,b olevat ”Laser pois päältä” -kuvat osoittavat elektronitiheyden jakauman ilman laser-elektroni vuorovaikutusta. Sitä vastoin ”Laser päällä” -kuvissa (kuva 2c,d) näkyy kaksi erillistä häntää jakauman kummallakin puolella. Nämä hännät koostuvat hidastetuista ja kiihdytetyistä elektroneista. Kuvissa 2a-d esitetystä varaustiheydestä piirretään normalisoidut elektronien lukumäärät energiamodulaation funktiona kuvissa 2e,f. Elektronitiheyden heikkeneminen keskeisessä energiahuipussa laser päällä -käyrässä (punaisella) verrattuna laser pois päältä -käyrään (sinisellä) osoittaa, että alun perin tässä keskeisessä energiassa olevat elektronit ovat kokeneet energiavoittoa tai -häviötä vuorovaikutuksessa ajolaserin kanssa. Safiiri-DLA:n suurin energiavoitto oli 1 ± 0,1 keV 18 µm:n vuorovaikutusetäisyydellä, mikä antaa kiihtyvyysgradientiksi 56 ± 6 MeV m-1 Einc:n ollessa 3,1 GV m-1. Ga2O3 DLA:n suurin energiavoitto on 2,4 ± 0,1 keV 23 µm:n vuorovaikutusetäisyydellä, jolloin kiihtyvyysgradientti on 104 ± 4 MeV m-1 Einc:n ollessa 2,4 GV m-1.

Nämä ovat ensimmäiset onnistuneet demonstraatiot laserohjatusta elektronikiihdytyksestä laajakaistaläpimittaisilla puolijohteisilla Ga2O3-nanorakenteilla. Tämän ritiläpohjaisen Ga2O3 DLA:n kiihdytysgradientti on lähes kaksinkertainen safiirirakenteeseen verrattuna. Oletamme, että Ga2O3:n korkeampi johtavuus mahdollistaa elektronien lähestymisen lähemmäs ritilän pintaa, mikä johtaa korkeampiin kiihdytyskenttiin ritilöiden lähikentän eksponentiaalisen hajoamisen vuoksi.8, 9, 27 Mitattu LIDT on 0,36 ± 0,04 J cm-2 Ga2O3-ritilöillä sekä tyhjiössä että ilmassa, mikä on vertailukelpoinen safiiriritilöillä mitattuun LIDT:hen (0,40 ± 0,04 J cm-2). Suurin Einc ennen vaurioitumista on siis 3,3 GV m-1 Ga2O3-ristikoille käyttäen laserparametreja, joiden aallonpituus on 2,0 µm, pulssin kesto 250 fs ja toistotaajuus 100 kHz. (LIDT-mittaukset kuvataan kokeellisessa osassa). Tässä esiteltyä Ga2O3 DLA:ta käytettiin 0,19 J cm-2:n laserfluenssilla, joka on paljon niiden LIDT:n alapuolella vakaan toiminnan varmistamiseksi.

Piikistä on ylivoimaisesti kehittynein, edullisin ja suurimman kiekkohalkaisijan materiaali, joka mahdollistaa monimutkaisten ja tarkkojen nanorakenteiden valmistuksen. Onneksi se on myös erittäin tehokas vaihemaski aallonpituuksilla näkyvästä infrapunan puoliväliin johtuen sen verrattain korkeasta taitekertoimesta. Siksi ehdotamme, että edellä mainittua Ga2O3:n korkeampaa LIDT:tä hyödynnetään Si-nanorakenteiden suorituskyvyn parantamiseksi. Tämä voitaisiin saavuttaa lisäämällä ohutkalvoinen Ga2O3-pinnoite Si-ristikkorakenteeseen, joka toimii kentänvaimennuskerroksena (kuva 3a,b). Paikallisen kentän voimistumisen väheneminen terävissä reunoissa on huomattavaa. Lisäksi Si AR-pinnoitteen ihanteellisen materiaalin indeksi on ≈1,85. Ga2O3:n taitekerroin NIR-alueella on 1,9. Tässä valitaan 30 nm:n Ga2O3-konforminen pinnoitekerros Si-ristikkoa varten. 30 nm valitaan kompromissina seuraavien tekijöiden välillä: 1) Paksummat kalvot (kuten neljännesaaltokerrokset) tarjoavat paremman heijastuksenestopäällysteen (AR-päällyste), mutta pienentävät huomattavasti fA:ta ja johtavat siten alhaisempaan Gacc-arvoon. 2) Ohuemmilla kalvoilla ei saavuteta merkittävää kentän pienenemistä.

Kuvassa 3a esitetään laskettu sähkökentän jakauma lähellä Si-ristikkorakennetta, joka on suunniteltu 2,0 µm:n ajolaser-aallonpituudelle. Kuvasta 3b nähdään, että lisäämällä 30 nm:n Ga2O3-pinnoite kentän vahvistuskerroin η = Emax/Einc pienenee 2,9-kertaiseksi (verrattaessa pinnoitettuja ja pinnoittamattomia näytteitä). Kuumat kohdat esiintyvät nyt Ga2O3:n pinnalla Si-pinnan sijasta, ja ohutkalvo-Ga2O3 voisi mahdollisesti sietää korkeampaa Einc-arvoa kuin bulkki-Si-rakenne. Teoriassa, jos LIDT määräytyy vain osuvan sähkökentän amplitudin perusteella, koska η = Emax/Einc pienenee 2,9 kertaa fA:n pienentyessä alle 1 % lisäämällä tämä ohut Ga2O3-kerros, kuten FDTD-simulaatiossa on esitetty, DF = fA/η = Gacc/Emax kasvaa 2,9 kertaa, kuten kuvassa 3c,d on esitetty.

Yksissä LIDT-mittauksissamme havaitsimme, että LIDT:n (0,04 J cm-2) ei havaittu muuttuvan, kun käytettiin 250 fs, 100 kHz toistotaajuus, 2 µm aallonpituuslaseria. Toisessa koesarjassa, jossa käytettiin 100 fs:n, 1 kHz:n toistotaajuuden ja 2 µm:n aallonpituuden laseria, max{Einc} kasvaa 0,83 GV m-1:stä (Si DLA) 1,52 GV m-1:een (pinnoitettu Si DLA). Ensimmäisessä koesarjassa, jossa toistotaajuus oli suurempi ja pulssin kesto pidempi, 250 fs, uskomme, että lämpövaikutukset, kuten lämpösulaminen, vaikuttavat osaltaan laserin aiheuttamiin vaurioihin. Toisessa koesarjassa uskomme, että vaurio on todennäköisesti kentän aiheuttama vaurio, jossa lämpövaikutukset ovat vähäisempiä, koska toistotaajuus on pienempi, 1 kHz. Nämä tulokset ansaitsevat lisää laservauriotutkimuksia ja paremman kalvon laadun kehittämistä tulevaisuudessa.

Yhteenvetona osoitimme Ga2O3:sta valmistettuja nanorakenteita, joilla on korkea laserindusoidun vaurion kynnysarvo (LIDT) 0,36 ± 0,04 J cm-2, joka on verrattavissa safiiriin. Lisäksi raportoimme Ga2O3-nanorakenteisiin perustuvan elektronikiihdyttimen demonstraatiosta, joka tarjoaa kiihtyvyysgradientin 104 ± 4 MeV m-1, joka ylittää tavanomaisilla RF-kiihdyttimillä saavutettavat kiihtyvyysgradientit Ga2O3:n korkean läpilyöntikynnyksen vuoksi. Lisäksi osoitamme, että ohutkerrospinnoitteet voivat toimia Si-nanorakenteiden kentänvähennyskerroksena ja mahdollisesti parantaa Si-pohjaisten nanorakenteiden tehokasta LIDT:tä ja suorituskykyä. Nämä tulokset osoittavat Ga2O3-nanorakenteiden lupaavan suuritehoisen optisen sovelluksen miniatyrisoiduksi laserohjatuksi elektronikiihdyttimeksi. Ga2O3:n erillisten sähköisten ja optisten ominaisuuksien sekä valmistus- ja kiekkokasvatustekniikoiden kehittymisen ansiosta Ga2O3:een perustuvia uusia suuritehoisia optisia sovelluksia toteutetaan lähitulevaisuudessa.