[논문 리뷰] Extreme ultraviolet-excited time-resolved luminescence spectroscopy using an ultrafast table-top high-harmonic generation source

Maarten Leo Simon van der Geest, Najmeh Sadegh외 7명|arXiv (Cornell University)|2021. 11. 01.

Laser-Matter Interactions and Applications참고 문헌 64인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 고조화성 발현(HHG)을 기반으로 하는 테이블탑 극자외선(XUV) 비트라인을 제시하며, 피크세컨드에서 納나세컨드 수준의 시간-주파수 해상도를 갖춘 XUV-자극된 발광(XEOL) 분광법을 가능하게 한다. 이 설정은 스테이크 카메라를 사용하여 고체 물질에서 XUV에 의한 발광을 탐지하며, 특히 플로로포어로 표시된 지르코늄 기반 포토레지스트에서 가시광/자외선 조사에 비해 더 빠른 붕괴 동역학을 보여주어, 방사성 붕괴를 통한 에너지 손실이 아니라 광화학 스위칭이 아닌 것으로 나타난다.

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.

연구 동기 및 목표

• 고체 상태 물질에서 시간해상 발광 연구를 위한 소형 테이블탑 XUV 소스를 개발하기 위해.
• HHG 소스에서 낮은 XUV 광자 조밀도 문제를 해결하기 위해 투과 기반 탐측 대신 발광 탐측을 사용함으로써.
• 설태제, 플로로포어, 포토레지스트 물질에서 고시간-스펙트럼 해상도를 갖춘 XUV 유도 동역학을 조사하기 위해.
• 더 긴 파장 조사에 비해 XUV-자극된 발광 붕괴 동역학을 비교하여 에너지 손실 경로를 규명하기 위해.

제안 방법

• 근적외선 레이저를 희귀가스 매질에 집중시켜 고조화성 발현(HHG)을 통해 XUV 펄스를 생성한다.
• XUV 비트라인이 고체 시료에 집중되어 발광을 자극하며, 이 발광은 수집되어 스테이크 카메라로 유도되어 시간-주파수 해상도 탐측이 이루어진다.
• 스테이크 카메라는 70 ps에서 500 µs의 시간 창에서 피크세컨드 해상도를 제공하며, 가장 짧은 범위에서는 1 피크세컨드 이하의 해상도를 확보한다.
• 조절 가능한 근적외선에서 깊은 자외선 레이저 펄스를 통해 동시 펌프-프로브 功能을 통해 일시적 투과 분광법(XTAS)을 수행할 수 있다.
• XEOL 및 XTAS 모드 간의 신속한 전환 기능을 통해 포괄적인 동역학 분석이 가능하다.
• 발광 붕괴 트레이스는 이중지수 함수로 피팅되어 수명 및 상대적 진폭을 추출한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 XUV-자극된 물질의 발광 붕괴 동역학은 더 긴 파장 빛에 의한 자극과 비교해 어떻게 다를까?
• RQ2 EUV 포토레지스트에서 흡수된 XUV 에너지 중 몇 퍼센트가 발광으로 재방출되고, 몇 퍼센트는 광화학 스위칭에 사용되는가?
• RQ3 낮은 변환 효율에도 불구하고, 테이블탑 HHG 소스가 시간해상 발광 분광법에 필요한 충분한 XUV 광자 조밀도를 제공할 수 있는가?
• RQ4 XUV-자극된 플로로포어 및 설태제에서 지배적인 붕괴 메커니즘은 무엇이며, 자외선/가시광선 자극과 어떻게 다를까?
• RQ5 플로로포어에 아로마틱 기능기가 존재할 경우, XUV에 의한 발광을 어떻게 억제하는가?

주요 결과

• 나트륨 살리실레이트(NaSal) 및 4-카바졸렌 벤조산(CB)에서 XUV-자극 발광이 신호 대 잡음비가 충분하여 시간해상 분석이 가능하게 측정되었다.
• 자유 상태의 CB에서 XUV-자극 붕괴는 이중지수 붕괴를 보이며, 수명은 τ1 = 6.26 ± 1.44 ns 및 τ2 = 0.77 ± 0.14 ns로 나타났으며, 이는 DUV-자극 붕괴(τ1 = 7.08 ± 0.27 ns, τ2 = 1.69 ± 0.28 ns)보다 훨씬 빠르게 나타났다.
• Zr6O4(OH)4(OMc)12 (ZrOMc)-CB 포토레지스트는 불순물이 없는 ZrOMc보다 XUV에 의한 발광 붕괴가 더 빠르게 나타나, 광화학 스위칭 대신 방사성 붕괴를 통한 에너지 손실이 일어나고 있음을 시사한다.
• XUV-자극 시스템에서 더 빠른 붕괴는 흡수된 에너지 일부가 광자로 재방출됨을 의미하며, 이는 리지스트에서 용해도 스위칭을 위한 필요 용량이 두 배 증가하는 데 기여한다.
• CB에 존재하는 아로마틱 기능기는 비방사성 또는 방사성 회복 경로를 강화시켜, 자극 상태를 억제하고 광화학 양자 수율을 감소시킬 가능성이 있다.
• 시스템은 XEOL 및 XTAS 측정을 동시에 수행할 수 있음을 입증하여, 피코세컨드에서 納나세컨드 스케일의 타임스케일에서 실시간 실시간 운반체 동역학을 포괄적으로 분석할 수 있게 하였다.