Obiettivi della tesi

1.1 Motivazioni

La necessità di utilizzare sorgenti di elettroni in numerosi campi applicativi quali la microscopia elettronica, la diagnostica di laser ultraveloci, la generazione di raggi X, o esperimenti di fisica ad alte energie in acceleratori di particelle, ha portato allo studio e alla realizzazione di numerose tipologie di dispositivi emettitori, caratterizzati dall’avere eccellenti proprietà specifiche al campo di utilizzo [1] [2]: se da un lato emettitori di tipo catodi caldi offrono valori elevati di corrente generata, facilità di realizzazione tecnologica, stabilità meccanica e tempo di vita prolungato a fronte di un limitato numero di materiali utilizzabili in grado di poter operare a temperature vicino i 3000 K, dall’altro i catodi freddi eccellono in caratteristiche quali la velocità di risposta, la possibilità di produrre impulsi ultracorti di elettroni eventualmente selezionabili in spin, le dimensioni nanometriche del fascio, bassa emittanza e alta brillanza, con il vantaggio di poter operare a temperatura ambiente (3).

Il panorama attuale propone catodi realizzati in metalli puri o leghe, semiconduttori più o meno complessi, eventualmente microlavorati in superficie, in modo da sfruttare un determinato meccanismo fisico per l’emissione elettronica quale l’effetto termoionico, ad esempio, per i catodi caldi, l’effetto fotoelettrico o

1.1 Motivazioni 2

l’emissione per effetto di campo per i catodi freddi, o meccanismi ibridi che mirano ad esasperare una caratteristica particolare del materiale utilizzato. Nell’ambito delle sorgenti elettroniche utilizzate negli esperimenti ad alte energie quali gli acceleratori lineari, la tecnologia attuale propone principalmente fotocatodi metallici eccitati mediante fotoni nell’UV (Ultra Violet), tipicamente generati da armoniche successive di laser a infrarosso ad alta potenza, la cui durata temporale di singolo impulso è inferiore a qualche centinaio di femtosecondi, caratterizzati da alta brillanza, bassa emittanza, coerenza di fase fra gli elettroni, basso spread energetico degli elettroni aventi energie di decine di keV e stabilità in presenza di alti campi RF.

La capacità di generare impulsi elettronici polarizzati in spin è realizzabile con fotocatodi basati su semiconduttori cesiati che, se da un lato offrono vantaggi quali la possibilità di poter essere eccitati con fotoni nel visibile e nel vicino infrarosso, non sacrificando, quindi, potenza ottica delle armoniche secondarie, dall’altro risentono maggiormente di deterioramento causato dall’alta reattività chimica, per cui è necessario operare in condizioni di ultra alto vuoto più spinto, è necessaria un’elevata e non economica tecnologia di realizzazione e le densità di correnti prodotte risultano essere ordini di grandezza inferiori a quelle dei fotocatodi metallici. L’utilizzo di una determinata tipologia di catodo deve, perciò, far fronte ad un compromesso nelle prestazioni offerte e adeguare il setup e l’applicazione alla sorgente elettronica più idonea per l’esperimento.

La ricerca su materiali e loro leghe, lo studio di semiconduttori ed eterostrutture più o meno complesse e le possibilità offerte dalle nanotecnologie, permettono di progettare e realizzare dispositivi innovativi proponendo soluzioni alternative e migliorando, dove necessario, i punti deboli dei catodi standard.

1.2 Obiettivi della tesi

L’obiettivo di questo lavoro di tesi è quello di progettare e verificare le proprietà di emissione di strutture realizzate su semiconduttori il cui meccanismo di emissione possa essere controllato e modulato da un’eccitazione ottica esterna. Il progetto si basa sullo studio di un catodo innovativo realizzato con un’eterostruttura di silicio/germanio in grado di poter produrre un fascio elettronico se eccitato mediante sorgenti luminose nel vicino infrarosso. La scelta di tale materiale rientra nello studio che, nell’ultimo ventennio, ha proposto la tecnologia del germanio su silicio come valida alternativa alla ben più nota e collaudata tecnologia dei III-V come materiali per il vicino infrarosso. Le potenzialità offerte come materiale per fotorivelatori e la tecnologia, mutuata da quella del silicio, per la microlavorazione, lo rendono estremamente promettente come sorgente di elettroni dalle caratteristiche paragonabili alle sorgenti convenzionali.

Il progetto del dispositivo prevede la realizzazione di un’eterostruttura in cui il materiale emettitore sia unicamente uno strato submicrometrico di germanio in modo da garantire un trascurabile allungamento del pacchetto elettronico rispetto all’impulso fotonico incidente e la cui efficienza quantica sia superiore ai fotocatodi metallici. La possibilità di modulare la trasparenza del substrato alla radiazione, tramite membrane di spessore micrometrico realizzate con la tecnologia MEMS (Micro Electro-Mechanical Systems), consente di illuminare il dispositivo dal retro, ossia di realizzare un catodo semitrasparente. Il meccanismo fisico di estrazione egli elettroni è l’emissione per effetto di campo intensificata da radiazione luminosa, ovvero quello che comunemente viene definito un PEFE (Photo Enhanced Field Emitter). Tale meccanismo consente di utilizzare materiali con affinità elettronica positiva e non dover ricorrere alla cesiatura della superficie, tipicamente utilizzata nelle sorgenti a semiconduttore per favorire l’emissione per

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effetto fotoelettrico. Superreticoli di leghe di silicio/germanio consentirebbero, inoltre, di agire direttamente sul profilo di banda, realizzando la condizione ottima per l’emissione polarizzata in spin.

Il meccanismo ibrido di emissione richiede un attento studio delle caratteristiche optoelettroniche dell’eterostruttura, focalizzando su tre principali processi: assorbimento dei fotoni incidenti per la creazione dei fotoelettroni, trasporto verso la superficie, emissione dalla superficie nel vuoto. Percorrendo questa linea operativa, il lavoro di tesi si articola nell’ottimizzazione del processo di crescita dell’eterostruttura in un sistema di deposizione chimica da fase vapore, nello studio delle caratteristiche di assorbimento dell’eterostruttura opportunamente microlavorata per la selezione delle lunghezze d’onda di eccitazione e del confinamento spaziale della luce incidente, sulla realizzazione di particolari strutture emettitrici la cui geometria è stata progettata in base all’analisi con un simulatore per campi elettromagnetici, e sull’allestimento di una camera di misura per la caratterizzazione dei prototipi realizzati in condizioni di illuminazione laser.

Un dispositivo in grado di produrre un fascio elettronico dalle caratteristiche paragonabili ai fasci prodotti dai catodi convenzionali, superandone le limitazioni in termini di efficienza quantica, potenza ottica necessaria, danneggiamento da reattività chimica, difficoltà di realizzazione tecnologica, si configurerebbe come dispositivo d’eccellenza nei fotoiniettori di ultima generazione, nei laser a elettroni liberi (FEL), e in particolare in esperimenti attualmente in essere presso i Laboratori Nazionali di Frascati quali SPARC (Sorgente Pulsata Auto-amplificata di Radiazione Coerente) e in esperimenti prossimi alla realizzazione come SuperB.

Questo lavoro è inserito nell’ambito dell’esperimento PHOTOCAM dell’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN), in collaborazione con l’Istituto di Fotonica e Nanotecnologie (IFN) del CNR e dei Laboratori Nazionali di Frascati (LNF) dell’INFN.