A metaanyagok olyan hullámhossz alatti struktúrák, amelyek a közelmúltban számos új optikai alkalmazást tettek lehetővé, a hagyományos társaiknál kompaktabb alaki tényezővel.1-6 Ezen új optikai eszközök csökkentett jellemzőmérete és méretezése révén számos alkalmazás nagyobb teljesítményt fog elérni, ha olyan nanostruktúrákat lehet létrehozni, amelyek nagy optikai teljesítményeket kezelnek, és magas károsodási küszöbértékkel rendelkeznek. Ilyen alkalmazások többek között: LIDAR-összetevők, amelyek nagyobb lézerteljesítményt tesznek lehetővé a nagyobb hatótávolságú érzékeléshez, lapos lencsék a félvezetőipar lézeralapú hibavizsgáló rendszereiben, és dielektromos lézergyorsítók (DLA), amelyek potenciálisan drasztikusan csökkenthetik a nagy energiájú részecskesugarak köré összpontosító rendszerek (beleértve az orvosi képalkotást és terápiát, XUV litográfiát stb.) méretét és költségeit.7-13
A gallium-oxid (Ga2O3) egy viszonylag újonnan kifejlesztett, széles sávszélességű félvezető oxid, amely számos különleges tulajdonsággal rendelkezik. A Ga2O3 bizonyította potenciálját, mint átlátszó vezető oxid (TCO) a mély UV fotodetektorok és a nagy teljesítményű elektronika számára.14-24 Ebben a cikkben kihasználjuk a Ga2O3 magas lézerkárosodási küszöbértékét25, 26 és mérsékelt vezetőképességét, hogy bemutassuk az első Ga2O3 nanoszerkezeteket, amelyeket kompakt lézerrel hajtott elektrongyorsítóval állítottunk elő. Mivel a Ga2O3 nagy optikai teljesítménytűréssel rendelkező TCO, potenciálisan ideális jelölt lehet mind a lézergyorsító nanoszerkezetek (DLA), mind más metamateriális alkalmazások, például az alacsony veszteségű plazmonika számára.3 Ezenkívül elemezzük a Ga2O3-ban rejlő lehetőségeket, mint a Si nanoszerkezetek vékonyrétegű bevonatát a Si-alapú dielektromos lézergyorsítók (DLA) teljesítményének potenciális növelése érdekében.
ahol Ez (z (t),t) az elektronok által az elektronok terjedési irányában tapasztalt valós idejű in situ elektromos tér. Az fA (=Gacc/Einc) az úgynevezett térarány, amely az Einc-től független geometriafüggő paraméter, ahol Einc a beeső lézeres elektromos tér amplitúdója. Minden adott Einc esetén a rácsszerkezeten belül egy vagy több olyan pont van, ahol a legnagyobb csúcs elektromos tér amplitúdó, Emax, található. A geometriafüggő erősítési tényezőt úgy határozzuk meg, hogy η = Emax/Einc. Az Ethreshold (=max{Emax} = η max{Einc}) a struktúrán belüli maximális elektromos mező amplitúdó, közvetlenül az optikai mező szétesése előtt. Egy másik fontos paraméter, a károsodási tényező DF = f A η = G acc E max , annak jellemzésére szolgál, hogy a rácsok mennyire hatékonyan szolgálnak fázismaszkként a beeső elektromos tér felhasználására az elektronok gyorsítására, miközben nem rendelkeznek túl sok forró ponttal az elektromos téreloszlásban, hogy túléljék a magas Einc értéket. A mezőnek az elektronokhoz való hatékony csatolása érdekében a rács periódusára a fázisillesztési kényszer vonatkozik, Λ = βλ, ahol λ a meghajtó lézer hullámhossza és β az elektronok sebessége a fénysebességre, c-re normalizálva. A működési ciklus meghatározása: w/Λ.
Egy véges differencia időtartomány (FDTD) módszert használunk mind a térarány, fA, mind a károsodási tényező, DF, optimalizálására. Optimalizáljuk a szélességet, w és a mélységet, d a Ga2O3 DLA-k maximális gyorsulási gradienséhez β = 0,54-nél, 2,0 µm-es lézer hullámhosszt feltételezve. Az optimalizált jellemzőméretek d = 600 nm és w/Λ = 50%. Mind az fA, mind a DF kevesebb mint 10%-kal csökken 600 ± 100 nm-es, illetve 50 ± 10%-os tűrésablakokkal a mélység és az üzemidő tekintetében.
Az 1b. ábra az előállított rácsszerkezetre normálisan beeső meghajtó lézert mutatja. Az ebben a kísérletben használt meghajtó lézer (pirossal jelölve a lézer k → vektorát mutató nyíllal) 2,0 µm hullámhosszú, 250 fs impulzusidővel és 100 kHz ismétlési frekvenciával. Az elektronsugár függőlegesen halad fentről lefelé. Az 1c. ábra a lézerrel hajtott elektrongyorsító kísérleti elrendezés vázlatát mutatja. Az impulzus elektronnyalábot a meghajtó lézerrel szinkronizált UV lézerimpulzusok hozzák létre, amelyek egy lapos réz fotokatódra esnek, és 1 ± 0,2 ps elektroncsomót hoznak létre. Az elektronokat egy mágneses lencse fókuszálja 700 ± 100 nm-es foltméretre a kölcsönhatási ponton (az 1b. ábrán a piros nyíl hegye). Az elektronok a rács felületének közelében lépnek kölcsönhatásba a meghajtó lézerrel. Az elektronsugár a szerkezeten keresztül egy mágneses spektrométerbe jut, és egy mikrocsatornás lemez (MCP) detektorra esik, ahol az elektronok energiaspektrumát 40 eV-os energiafelbontással mérik. A zafír és a Ga2O3 nanoszerkezetek gyártásának részleteit a kísérleti részben ismertetjük. Az 1d-f. ábrán a zafír és a Ga2O3 nanoszerkezetek SEM-felvételei láthatók. Az 1e-g ábrán az egyes struktúrák nagyított nézetei láthatók.
A zafír és a Ga2O3 DLA-k MCP-ben mért elektronspektrumai a 2a-d ábrán láthatók. A vízszintes tengely a hosszanti energiamoduláció a 96,3 keV-os kiindulási elektronenergiához képest (β = 0,54). A függőleges tengely az elektronelhajlás mrad-ban. A 2a,b ábrán látható “Lézer ki” képek az elektronsűrűség eloszlását mutatják a lézer-elektron kölcsönhatás hiányában. Ezzel szemben a “Lézer bekapcsolva” képek (2c,d ábra) az eloszlás mindkét oldalán két különálló csóvát mutatnak. Ezek a csóvák lassított és gyorsított elektronokból állnak. A 2a-d ábrán látható töltéssűrűségből a 2e,f ábrán a normalizált elektronszámokat ábrázoljuk az energiamoduláció függvényében. Az elektronsűrűség csökkenése a központi energiacsúcsban a lézer bekapcsolt görbéjénél (piros színnel) a lézer kikapcsolt görbéjéhez (kék színnel) képest azt jelzi, hogy az eredetileg ezen a központi energián lévő elektronok a meghajtó lézerrel való kölcsönhatás miatt energiavereséget vagy -veszteséget szenvedtek el. A zafír DLA maximális energianövekedése 1 ± 0,1 keV volt 18 µm kölcsönhatási távolságon, ami 56 ± 6 MeV m-1 gyorsulási gradienst ad 3,1 GV m-1 Einc mellett. A Ga2O3 DLA maximális energianövekedése 2,4 ± 0,1 keV 23 µm-es kölcsönhatási távolságon, ami 2,4 GV m-1 Einc mellett 104 ± 4 MeV m-1 gyorsulási gradienst eredményez.
Ezek az első sikeres demonstrációk a széles sávszélességű félvezető Ga2O3 nanoszerkezetek lézerrel vezérelt elektrongyorsítására. Ennek a rácsalapú Ga2O3 DLA-nak a gyorsítási gradiense közel kétszerese a zafír szerkezetének. Feltételezésünk szerint a Ga2O3 nagyobb vezetőképessége lehetővé teszi, hogy az elektronok közelebb kerüljenek a rácsfelülethez, ami a rácsok közeli mezőjének exponenciális lecsengése miatt nagyobb gyorsítási mezőt eredményez.8, 9, 27 A mért LIDT 0,36 ± 0,04 J cm-2 a Ga2O3 rácsok esetében vákuumban és levegőben egyaránt, ami összehasonlítható a zafírrácsokéval (0,40 ± 0,04 J cm-2). A károsodás bekövetkezése előtti maximális Einc tehát 3,3 GV m-1 a Ga2O3 rácsok esetében, 2,0 µm hullámhosszú lézerparamétereket használva, 250 fs impulzusidővel és 100 kHz ismétlési frekvenciával. (A LIDT-méréseket a kísérleti részben ismertetjük). Az itt bemutatott Ga2O3 DLA-t 0,19 J cm-2 lézerfluenciával működtették, ami jóval a LIDT-jük alatt van a stabil működés biztosítása érdekében.
A szilícium messze a legfejlettebb, legolcsóbb és legnagyobb ostyaátmérőjű anyag, amely lehetővé teszi komplex, precíz nanoszerkezetek előállítását. Szerencsés módon a láthatótól a közép-infravörösig terjedő hullámhosszakon is nagyon hatékony fázismaszk, köszönhetően a viszonylag magas törésmutatójának. Ezért javasoljuk, hogy a fent tárgyalt Ga2O3 magasabb LIDT-jét kihasználva javítsuk a Si nanostruktúrák teljesítményét. Ez úgy érhető el, hogy egy Si rácsszerkezethez vékony Ga2O3 bevonatot adunk, amely mezőcsökkentő rétegként működik (3a,b ábra). Figyelemre méltó a helyi térerősödés csökkenése az éles éleknél. Ráadásul a Si AR bevonat ideális anyaga ≈1,85 indexű. A Ga2O3 törésmutatója 1,9 a NIR tartományban. Itt egy 30 nm-es Ga2O3 konformális bevonatréteget választunk a Si rácsra. A 30 nm-t a következő tényezők közötti kompromisszumként választottuk: 1) A vastagabb rétegek (például negyedhullámú rétegek) jobb antireflexiós (AR) bevonatot biztosítanak, de jelentősen csökkentik az fA-t, és így alacsonyabb Gacc-hoz vezetnek. 2) A vékonyabb rétegek nem biztosítanak jelentős mezőcsökkentést.
A 3a. ábra a 2,0 µm meghajtó lézer hullámhosszra tervezett Si rácsszerkezet közelében számított elektromos téreloszlást mutatja. A 3b. ábrán látható, hogy egy 30 nm-es Ga2O3 bevonat hozzáadásával az η = Emax/Einc térerősítési tényező 2,9-szeresére csökken (összehasonlítva a bevont és a bevonat nélküli mintákat). A forró pontok most már a Ga2O3 felületén jelentkeznek a Si felülete helyett, és a vékonyréteg Ga2O3 potenciálisan nagyobb Einc értéket tud elviselni, mint az ömlesztett Si szerkezet. Elméletileg, ha az LIDT-t csak a beeső elektromos mező amplitúdója határozza meg, akkor az FDTD-szimulációban bemutatott vékony Ga2O3-réteg hozzáadásával az η = Emax/Einc 2,9-szeresére csökken fA kevesebb mint 1%-os csökkenése mellett, a DF = fA/η = Gacc/Emax 2,9-szeresére nő, amint az a 3c,d ábrán látható.
LIDT méréseink egyik sorozatában azt tapasztaltuk, hogy 250 fs, 100 kHz ismétlési frekvenciájú, 2 µm hullámhosszú lézer használata esetén a LIDT (0,04 J cm-2) nem változott. Egy másik kísérletsorozatban 100 fs, 1 kHz ismétlési frekvenciájú, 2 µm hullámhosszú lézerrel a max{Einc} 0,83 GV m-1-ről (Si DLA) 1,52 GV m-1-re (bevonatos Si DLA) nő. A nagyobb ismétlési frekvenciával és hosszabb, 250 fs impulzusidővel végzett első kísérletsorozatban úgy véljük, hogy a lézer által kiváltott károsodáshoz termikus hatások, például termikus olvadás járulnak hozzá. A második kísérletsorozatban úgy véljük, hogy a kisebb, 1 kHz-es ismétlési frekvencia miatt a károsodás valószínűleg térindukált károsodás, csökkentett termikus hatásokkal. Ezek az eredmények további lézerkárosodási vizsgálatokat és jobb filmminőség-fejlesztést érdemelnek a jövőben.
Összefoglalva, Ga2O3-ból gyártott nanoszerkezeteket mutattunk be, amelyek magas, a zafíréhoz hasonló, 0,36 ± 0,04 J cm-2 lézerindukált károsodási küszöbértékkel (LIDT) rendelkeznek. Továbbá beszámolunk egy Ga2O3 nanoszerkezeteken alapuló elektrongyorsító demonstrációjáról, amely 104 ± 4 MeV m-1 gyorsítási gradienst biztosít, ami a Ga2O3 magas átbomlási küszöbének köszönhetően meghaladja a hagyományos RF gyorsítókkal elérhető értékeket. Emellett megmutatjuk a vékonyrétegű bevonatokban, mint Si nanostruktúrák mezőcsökkentő rétegeiben rejlő lehetőségeket, amelyek potenciálisan javíthatják a Si-alapú nanostruktúrák hatékony LIDT-jét és teljesítményét. Ezek az eredmények bizonyítják a Ga2O3 nanostruktúrák ígéretes nagy teljesítményű optikai alkalmazását miniatürizált lézerrel vezérelt elektrongyorsítóként. A Ga2O3 különleges elektromos és optikai tulajdonságaival, valamint a gyártási és ostyanövesztési technikák fejlődésével kombinálva a közeljövőben több új, Ga2O3-on alapuló nagy teljesítményű optikai alkalmazás valósulhat meg.