15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta PHOTOCAM Progettazione e realizzazione di fotocatodi retroilluminati innovativi basati su eterostrutture di silicio-germanio,

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1 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta PHOTOCAM Progettazione e realizzazione di fotocatodi retroilluminati innovativi basati su eterostrutture di silicio-germanio, capaci di generare fasci di elettroni con caratteristiche estremamente spinte per quanto riguarda la durata dell'impulso (dell'ordine delle centinaia di femtosecondi), eccitabili con fotoni del visibile e dell’infrarosso vicino e configurabili per la produzione di fasci di elettroni polarizzati

2 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Composizione del Gruppo di Ricerca F. Evangelisti M. De Seta L. Di Gaspare G. Capellini V. Foglietti S. Carta A. Notargiacomo E. Giovine

3 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Obiettivi per i fotocatodi di PHOTOCAM Alta QE alle lunghezze d’onda di eccitazione ottica richiesta Basso spread temporale dei fotoelettroni (<200 fs) Emissione elettronica uniforme (sia spaziale, sia temporale) Alta brillanza Bassa corrente di buio per utilizzo a temperatura ambiente Riproducibilità di fabbricazione Trasportabilità e bassa reattività da contaminanti esterni Assenza di materiali bi- e tri-alkali Possibilità di produrre fasci elettronici polarizzati in spin

4 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Field Emission da metalli -e 2 /2x -e 2 /2x-eFx -e 2 /2x-βeFx EFEF Metal Vacuum U(x) φ hνhν Teoria di Fowler-Nordheim Photo-Field Emission per i metalli richiede energie > 5 eV

5 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Field Emission da semiconduttori -e 2 /2x -e 2 /2x-eFx -e 2 /2x-βeFx EFEF VB Vacuum U(x) χ CB EgEg n-type -e 2 /2x -e 2 /2x-eFx -e 2 /2x-βeFx EFEF VB Vacuum U(x) χ CB EgEg p-type

6 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Photo-Field Emission da semiconduttori p-type L’eccitazione ottica rifornisce di elettroni la banda di conduzione e il campo esterno provvede ad estrarli La corrente emessa è proporzionale all’intensità ottica -e 2 /2x -e 2 /2x-eFx -e 2 /2x-βeFx EFEF VB Vacuum U(x) χ CB EgEg p-type hνhν hνhν hνhν

7 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Stabilità di emissione Elevata densità di corrente emessa Riduzione del danneggiamento Basse tensioni per l’estrazione Impiego di nanotecnologie Field Emission Gated Array p-type insulator metal

8 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Progettazione dispositivo Nd:YAG Ti:Sa

9 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Scelta del materiale: Germanio Eterostruttura Ge on Si Silicio ha esclusivamente ruolo di supporto Controllo del tempo di transito mediante lo spessore Assorbimento nel NIR Controllo nanometrico degli spessori

10 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Scelta del materiale: Germanio AssorbimentoTrasportoEmissione Realizzando eterostrutture di opportuni spessori si può selezionare la quantità di luce assorbita in funzione della lunghezza d’onda

11 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Scelta del materiale: Germanio AssorbimentoTrasportoEmissione filtro a stato solido in silicio Realizzando eterostrutture di opportuni spessori si può selezionare la quantità di luce assorbita in funzione della lunghezza d’onda

12 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta EmissioneAssorbimentoTrasporto Litografia Elettronica e attacco dry

13 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Scrittura diretta mediante Focused Ion Beam EmissioneAssorbimentoTrasporto

14 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Fotocatodi con superreticoli come sorgenti di elettroni polarizzati (GaAs) a) Semiconduttore non stressato: hh e lh degeneri non producono una transizione favorita per ottenere polarizzazione in spin (spin  oppure spin  ) per luce incidente polarizzata circolarmente (  oppure  ) b) Semiconduttore stressato: rimozione della degenerazione fra hh e lh; polarizzazione massima 100% (spin  oppure spin  ) per luce incidente polarizzata circolarmente (  oppure  )

15 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Developed by Faculty of Engineering, Nagoya University (Takeda Lab) Fotocatodi con superreticoli come sorgenti di elettroni polarizzati (GaAs)

16 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Scelta del materiale: Germanio Assorbimento Studio teorico (Prof. Grosso e Dr. Virgilio dell’Università di Pisa) per l’individuazione dell’eterostruttura idonea per ottenere elettroni polarizzati in spin alla lunghezza d’onda fondamentale del Nd:YAG Ge VS 300 nm Buffer Si 0.1 Ge 0.9 300 nm Barrier Si 0.2 Ge 0.8 8 nm Well Si 0.05 Ge 0.95 6.4 nm n times TrasportoEmissione

17 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Scelta del materiale: Germanio TrasportoAssorbimentoEmissione Ge well n-Ge 0.8 Si 0.2 barrier Si 0.15 Ge 0.85 /Ge Substrato Virtuale E’ fondamentale la qualità del materiale cresciuto Completa controllabilità di spessori a livello nanometrico

18 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta Obiettivi PHOTOCAM Realizzazione fotocatodi per il NIR Alta brillanza Basso spread temporale legato allo spessore e alla qualità del materiale attivo Basse tensioni operative tramite array di fotoemettitori gated Corrente di dark trascurabile per l’impiego del dispositivo a T ambiente Assenza materiali bi- e tri-alkali (NEA) fortemente reattivi all’aria Possibilità di produrre fasci polarizzati in spin da superreticoli

19 15/03/2011, LNF Frascati Stefano Carta