[論文レビュー] Extreme ultraviolet-excited time-resolved luminescence spectroscopy using an ultrafast table-top high-harmonic generation source

Maarten Leo Simon van der Geest, Najmeh Sadegh+7 more|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2021

Laser-Matter Interactions and Applications参考文献 64被引用数 4

ひとこと要約

本論文は、高調波生成（HHG）を用いたテーブトップ型極端紫外線（XUV）ビームラインを提示し、ピコ秒からナノ秒の時間分解能を達成する時間的・周波数的分解能を有するXUV励起発光（XEOL）分光法を実現する。この装置はストリークカメラを用いて固体材料に誘発されたXUV発光を検出する。XUV励起系では、可視光／紫外線励起と比較して、特にフルオロクロムをラベル化したジルコニウム系フォトレジストにおいて、より速い衰えのダイナミクスが観測された。これは、エネルギー損失が光化学的スイッチングではなく、放射的衰えによるものであることを示唆している。

ABSTRACT

We present a table-top extreme ultraviolet (XUV) beamline for measuring time- and frequency-resolved XUV-excited optical luminescence (XEOL) with additional femtosecond-resolution XUV transient absorption spectroscopy functionality. XUV pulses are generated via high-harmonic generation using a near-infrared pulse in a noble gas medium and focused to excite luminescence from a solid sample. The luminescence is collimated and guided into a streak camera where its spectral components are temporally resolved with picosecond temporal resolution. We time-resolve XUV-excited luminescence and compare the results to luminescence decays excited at longer wavelengths for three different materials: (i) sodium salicylate, an often used XUV scintillator; (ii) fluorescent labeling molecule 4-carbazole benzoic (CB) acid; and (iii) a zirconium metal oxo-cluster labeled with CB, which is a photoresist candidate for extreme-ultraviolet lithography. Our results establish time-resolved XEOL as a new technique to measure transient XUV-driven phenomena in solid-state samples and identify decay mechanisms of molecules following XUV and soft-x-ray excitation.

研究の動機と目的

• 固体状態材料における時間分解発光研究のためのコンactでテーブルトップ型XUV光源の開発を目的とする。
• HHG光源におけるXUV光子数の低さという課題に対処するため、透過測定に代えて発光検出を用いる。
• サイレント剤、フルオロクロム、フォトレジスト材料におけるXUV誘発ダイナミクスを、高い時間的・スペクトル的分解能で調査することを目的とする。
• XUV励起発光の衰え動態を、より長い波長の励起と比較し、エネルギー損失経路を特定することを目的とする。

提案手法

• 近赤外レーザーを希ガス媒体に焦点化することで、高調波生成（HHG）によりXUVパルスを生成する。
• XUVビームを固体試料に焦点合わせて発光を誘発し、その発光を収集・導波してストリークカメラを用いて時間的・周波数的分解能を有する検出を実施する。
• ストリークカメラにより、70 psから500 µsの時間窓においてピコ秒分解能が得られ、最短範囲では1ピコ秒未満の分解能が達成される。
• 可変周波数の近赤外〜深紫外レーザーパルスにより、同時にポンププローブ機能を備えた一時的吸収分光法（XTAS）が可能となる。
• XEL分光法とXTASモードとの間で迅速な切り替えが可能であり、包括的なダイナミクス解析が可能となる。
• 発光の衰え曲線は二重指数関数関数でフィッティングされ、寿命と相対的振幅が抽出される。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 XUV励起材料の発光衰え動態は、より長い波長の光で励起された場合と比べてどのように異なるか？
• RQ2 EUVフォトレジストにおいて、吸収したXUVエネルギーの何パーセントが再発光として放出され、何パーセントが光化学的スイッチングに使われるか？
• RQ3 低変換効率であるにもかかわらず、テーブルトップ型HHG光源が時間分解発光分光法に十分なXUV光子数を供給できるか？
• RQ4 XUV励起フルオロクロムおよびサイレント剤における主要な衰え機構は何か？また、紫外線／可視光励起とはどのように異なるか？
• RQ5 フルオロクロムにアロマティック基が存在する場合、XUV誘発発光がどのようにクエンチされるか？

主な発見

• ナトリウムサリチル酸（NaSal）および4カルバゾールカルボン酸（CB）からのXUV励起発光が、時間分解分析に十分な信号対雑音比で測定された。
• 遊離CBのXUV励起衰えは二重指数関数的衰えを示し、τ1 = 6.26 ± 1.44 nsおよびτ2 = 0.77 ± 0.14 nsの寿命を示した。これは、DUV励起時の衰え（τ1 = 7.08 ± 0.27 ns、τ2 = 1.69 ± 0.28 ns）よりも顕著に速い。
• Zr6O4(OH)4(OMc)12（ZrOMc）-CBフォトレジストでは、未置換のZrOMcと比較して、XUV誘発発光の衰えが速く、これは光化学的スイッチングではなく放射的衰えによるエネルギー損失を示している。
• XUV励起系における速い衰えは、吸収エネルギーの一部が光子として再放出されていることを示唆し、フォトレジストにおける溶解性スイッチングに必要な用量が2倍に増加している要因となっている。
• CBにアロマティック基が存在するため、非放射的または放射的弛緩経路が強化され、励起状態がクエンチされ、光化学的量子収率が低下している可能性がある。
• 本システムは、XEL分光法とXTAS測定を同時に実行可能なことを実証し、フェムト秒からナノ秒のスケールでのキャリアダイナミクスの包括的把握が可能となった。