Metamaterialen zijn subgolflengtestructuren die de laatste tijd veel nieuwe optische toepassingen mogelijk hebben gemaakt met een compactere vormfactor dan traditionele tegenhangers.1-6 Met de kleinere afmetingen van de kenmerken en de schaalvergroting van deze nieuwe optische apparaten, zullen veel toepassingen betere prestaties bereiken als nanostructuren met een hoge schadedrempel kunnen worden gecreëerd om hoge optische vermogens te verwerken. Dergelijke toepassingen zijn onder meer LIDAR-componenten die een hoger laservermogen mogelijk maken voor detectie over een groter bereik, vlakke lenzen in lasergebaseerde defectinspectiesystemen voor de halfgeleiderindustrie, en diëlektrische laserversnellers (DLA) die het potentieel hebben om zowel de grootte als de kosten van systemen drastisch te verkleinen (inclusief medische beeldvorming en therapie, XUV-lithografie, enz.) gecentreerd rond hoge energie deeltjesbundels.7-13

Galliumoxide (Ga2O3) is een relatief nieuw ontwikkelde brede bandgap halfgeleidend oxide met veel verschillende eigenschappen. Ga2O3 heeft aangetoond dat het potentieel als een transparante geleidende oxide (TCO) voor diepe UV-fotodetectoren en high-power electronics.14-24 In dit artikel maken we gebruik van de hoge laser schadedrempel 25, 26 en matige geleidbaarheid van Ga2O3 aan de eerste Ga2O3 nanostructuren geproduceerd compacte laser-gedreven elektronenversneller laten zien. Omdat het een TCO met een hoge optische vermogenstolerantie zou potentieel maken Ga2O3 een ideale kandidaat voor zowel laser versneller nanostructuren (DLA) en andere metamateriaal toepassingen, zoals low-loss plasmonics.3 Daarnaast analyseren we het potentieel van Ga2O3 als een dunne laag coating voor Si nanostructuren om mogelijk de prestaties van Si-gebaseerde diëlektrische laser versnellers (DLA) te verbeteren.

We gebruiken een eindige-verschil-tijd-domein (FDTD) methode om zowel de veldverhouding, fA en schadefactor, DF te optimaliseren. We optimaliseren de breedte, w en diepte, d voor maximale versnellingsgradiënt van Ga2O3 DLAs bij β = 0,54, uitgaande van een lasergolflengte van 2,0 µm. De geoptimaliseerde vorm heeft d = 600 nm en w/Λ = 50%. Zowel fA als DF nemen met minder dan 10% af met tolerantievensters van 600 ± 100 nm en 50 ± 10% voor respectievelijk diepte en duty cycle.

Figuur 1b toont de aandrijflaser normaal invallende op de gefabriceerde roosters apparaat. De aandrijflaser gebruikt in dit experiment (aangegeven in rood met de pijl die de laser k → vector) heeft een golflengte van 2,0 µm, met een pulsduur van 250 fs en 100 kHz herhalingsfrequentie. De elektronenbundel reist verticaal van boven naar beneden. Figuur 1c toont een schematische voorstelling van de experimentele opstelling van de lasergestuurde elektronenversneller. De gepulseerde elektronenbundel wordt gegenereerd door UV-laserpulsen gesynchroniseerd met de aandrijflaser, die valt op een vlakke koperen fotokathode, het produceren van een 1 ± 0,2 ps elektron bos. De elektronen worden gefocusseerd door een magnetische lens tot een vlekgrootte van 700 ± 100 nm op het interactiepunt (de punt van de rode pijl in figuur 1b). De elektronen interactie met de drive laser in de buurt van het oppervlak van het rooster. De elektronenbundel reist door de structuur naar een magnetische spectrometer en valt op een microkanaalplaatdetector (MCP) waar het elektronenergiespectrum wordt gemeten met een energieresolutie van 40 eV. De saffier en Ga2O3 nanostructuren fabricage details worden beschreven in de Experimentele Sectie. Figuur 1d-f toont de SEM beelden van de saffier en Ga2O3 nanostructuren. Ingezoomde weergaven van elk worden getoond in figuur 1e-g, respectievelijk.

De elektronenspectra gemeten in de MCP voor zowel saffier en Ga2O3 DLAs worden getoond in figuur 2a-d. De horizontale as is de longitudinale energiemodulatie ten opzichte van de initiële elektronenenergie van 96,3 keV (β = 0,54). De verticale as is de elektronenafbuiging in mrad. De “laser uit”-beelden in figuur 2a,b tonen de verdeling van de elektronendichtheid bij afwezigheid van de laser-elektroninteractie. De “laser aan”-beelden (figuur 2c,d) tonen daarentegen twee duidelijke staarten aan weerszijden van de verdeling. Deze staarten zijn samengesteld uit vertraagde en versnelde elektronen. Van de ladingsdichtheid getoond in figuur 2a-d, plotten we de genormaliseerde elektronentellingen als functie van de energiemodulatie in figuur 2e,f. De uitputting van de elektronendichtheid in de centrale energie piek voor de laser op curve (in rood), in vergelijking met de laser uit curve (in blauw) geeft aan dat elektronen aanvankelijk op deze centrale energie ervaren energiewinst of verlies als gevolg van interactie met de aandrijving laser. De maximale energiewinst van de saffier DLA was 1 ± 0,1 keV over een interactieafstand van 18 µm, wat een versnellingsgradiënt geeft van 56 ± 6 MeV m-1 bij een Einc van 3,1 GV m-1. De maximale energiewinst van de Ga2O3 DLA is 2,4 ± 0,1 keV over een interactieafstand van 23 µm, wat een versnellingsgradiënt oplevert van 104 ± 4 MeV m-1 bij een Einc van 2,4 GV m-1.

Dit zijn de eerste succesvolle demonstraties van laser-gedreven elektronenversnelling met wide-bandgap halfgeleidende Ga2O3 nanostructuren. De versnellingsgradiënt van deze op roosters gebaseerde Ga2O3 DLA is bijna dubbel zo groot als die van de saffierstructuur. Wij veronderstellen dat het hogere geleidingsvermogen van Ga2O3 een dichtere benadering van de elektronen tot het roosteroppervlak mogelijk maakt, wat resulteert in hogere versnellingsvelden als gevolg van het exponentiële verval van het nabije veld in de roosters.8, 9, 27 De gemeten LIDT is 0,36 ± 0,04 J cm-2 voor Ga2O3 roosters zowel in vacuüm als in lucht, wat vergelijkbaar is met die van saffier roosters (0,40 ± 0,04 J cm-2). De maximale Einc voordat schade optreedt is dus 3,3 GV m-1 voor Ga2O3-roosters, bij gebruik van laserparameters met een golflengte van 2,0 µm, een pulsduur van 250 fs en een herhalingsfrequentie van 100 kHz. (LIDT-metingen worden beschreven in het Experimentele gedeelte). De Ga2O3 DLA hier gedemonstreerd werd bediend bij een laser fluentie van 0,19 J cm-2, ver onder hun LIDT om stabiele werking te garanderen.

Silicium is, veruit, de meest ontwikkelde, minst dure en grootste wafer diameter materiaal dat de fabricage van complexe, precieze nanostructuren mogelijk maakt. Toevallig is het ook een zeer efficiënt fasemasker bij golflengten van het zichtbare tot midden-infrarood, als gevolg van de relatief hoge brekingsindex. Daarom stellen wij voor om gebruik te maken van de hogere LIDT van Ga2O3 hierboven besproken om Si nanostructuren prestaties te verbeteren. Dit kan worden bereikt door het toevoegen van een dunne film Ga2O3 coating op een Si rooster structuur, die fungeert als een veld reductielaag (figuur 3a, b). De vermindering van de lokale veldversterking aan de scherpe randen is opmerkelijk. Bovendien heeft het ideale materiaal voor een Si AR-coating een index van ≈1,85. Ga2O3 heeft een brekingsindex van 1,9 in NIR. Hier kiezen wij voor een 30 nm Ga2O3 conforme coatinglaag voor het Si traliewerk. 30 nm is gekozen als afweging tussen de volgende factoren: 1) Dikkere films (zoals kwart-golf lagen) zorgen voor een betere antireflectie (AR) coating, maar zal de fA aanzienlijk verminderen en dus leiden tot een lagere Gacc. 2) Dunnere films zorgen niet voor een significante veld vermindering.

Figuur 3a toont de berekende elektrische veldverdeling in de buurt van een Si roosterstructuur ontworpen voor een 2,0 µm aandrijving lasergolflengte. Men kan zien in figuur 3b dat door toevoeging van een 30 nm Ga2O3 coating, de veldversterkingsfactor η = Emax/Einc wordt verminderd met 2,9 keer (vergelijking van gecoate vs niet-gecoate monsters). De hotspots nu optreden op het oppervlak van de Ga2O3 in plaats van het Si oppervlak, en dunne film Ga2O3 kan mogelijk tolereren een hogere Einc dan de bulk Si structuur. In theorie, als de LIDT wordt alleen bepaald door het invallende elektrische veld amplitude, gezien η = Emax / Einc wordt verminderd met 2,9 keer met een fA vermindering van minder dan 1% door het toevoegen van deze dunne laag van Ga2O3 geïllustreerd in de FDTD simulatie, DF = fA / η = Gacc / Emax verhoogt met 2,9 keer zoals getoond in figuur 3c, d.

In een set van onze LIDT metingen, vonden we dat er geen verandering van LIDT (0,04 J cm-2) werd waargenomen bij gebruik van een 250 fs, 100 kHz herhalingssnelheid, 2 µm golflengte laser. In een andere reeks experimenten met 100 fs, 1 kHz herhalingssnelheid, 2 µm golflengte laser, max{Einc} toeneemt van 0,83 GV m-1 (Si DLA) tot 1,52 GV m-1 (gecoate Si DLA). In de eerste reeks experimenten met een hogere herhalingsfrequentie en een langere pulsduur van 250 fs, denken we dat thermische effecten, zoals thermisch smelten, bijdragen aan de lasergeïnduceerde schade. In de tweede reeks experimenten geloven we dat de schade waarschijnlijk veld geïnduceerde schade is met verminderde thermische effecten vanwege de lagere, 1 kHz herhalingsfrequentie. Deze resultaten verdienen verdere studies van de laserschade en een betere ontwikkeling van de filmkwaliteit in de toekomst.

Samenvattend hebben we aangetoond Ga2O3 gefabriceerde nanostructuren met een hoge laser geïnduceerde schadedrempel (LIDT) van 0,36 ± 0,04 J cm-2, vergelijkbaar met die van saffier. Verder rapporteren we de demonstratie van een elektronenversneller gebaseerd op Ga2O3 nanostructuren, die een versnellingsgradiënt levert van 104 ± 4 MeV m-1, hoger dan mogelijk is met conventionele RF-versnellers als gevolg van de hoge doorslagdrempel van Ga2O3. Bovendien tonen we het potentieel aan van dunne laag coatings als veldreductielagen voor Si nanostructuren om de effectieve LIDT en prestaties van Si-gebaseerde nanostructuren mogelijk te verbeteren. Deze resultaten tonen de veelbelovende high-power optische toepassing van Ga2O3 nanostructuren als een geminiaturiseerde laser-gedreven elektronenversneller. Met de verschillende elektrische en optische eigenschappen van Ga2O3 in combinatie met vooruitgang in fabricage- en wafergroeitechnieken, zullen in de nabije toekomst meer nieuwe krachtige optische toepassingen op basis van Ga2O3 worden gerealiseerd.