[论文解读] 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 4

一句话总结

本文提出了一套基于高次谐波产生（HHG）的台式极紫外（XUV）光束线，实现了亚皮秒至纳秒时间分辨率的时-频分辨XUV激发荧光光谱（XEOL）分析。该装置利用导电条纹相机探测固体材料在XUV激发下的荧光，揭示了XUV激发体系的更快衰减动力学，特别是在掺有荧光团的锆基光刻胶中，相比可见光/紫外光激发，表明能量通过辐射跃迁而非光化学开关过程损失。

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.

研究动机与目标

• 开发一种紧凑的台式XUV光源，用于固态材料的时-分辨荧光研究。
• 通过荧光检测而非透射测量方法，解决HHG光源中XUV光子通量低的挑战。
• 以高时间与光谱分辨率研究闪烁体、荧光团和光刻材料中的XUV激发动力学。
• 比较XUV激发与长波长激发下的荧光衰减动力学，以识别能量损失路径。

提出的方法

• 利用近红外激光聚焦于稀有气体介质中，通过高次谐波产生（HHG）生成XUV脉冲。
• 将XUV光束聚焦于固体样品上以激发荧光，荧光信号被收集并导入条纹相机，实现时间-频谱分辨检测。
• 条纹相机在70 ps至500 µs的时间窗口内提供皮秒级时间分辨率，最短时间范围内的分辨率低于1 ps。
• 通过可调谐的近红外至深紫外激光脉冲实现泵浦-探测功能，用于并行的瞬态吸收光谱分析（XTAS）。
• 系统支持在XEOL与XTAS模式间快速切换，实现对动力学过程的全面分析。
• 荧光衰减曲线通过双指数函数拟合，以提取寿命和相对振幅。

实验结果

研究问题

• RQ1 XUV激发材料的荧光衰减动力学与长波长光激发的相比如何？
• RQ2 在极紫外（EUV）光刻胶中，吸收的XUV能量有多少比例以荧光形式重新发射，又有多少用于光化学开关过程？
• RQ3 尽管转换效率较低，台式HHG光源是否能提供足够的XUV光子通量以实现时-分辨荧光光谱分析？
• RQ4 XUV激发下荧光团和闪烁体的主要衰减机制是什么？与紫外/可见光激发相比有何不同？
• RQ5 荧光团中芳香基团的存在在多大程度上淬灭XUV激发的荧光？

主要发现

• 成功测得苯甲酸钠（NaSal）和4-咔唑苯甲酸（CB）的XUV激发荧光，信噪比足够高，可进行时-分辨分析。
• 游离CB的XUV激发荧光衰减呈现双指数衰减，寿命分别为τ1 = 6.26 ± 1.44 ns 和 τ2 = 0.77 ± 0.14 ns，显著快于DUV激发下的衰减（τ1 = 7.08 ± 0.27 ns，τ2 = 1.69 ± 0.28 ns）。
• Zr6O4(OH)4(OMc)12（ZrOMc）-CB光刻胶的XUV激发荧光衰减速度高于未取代的ZrOMc，表明能量通过辐射跃迁而非光化学开关过程损失。
• XUV激发体系中更快的衰减表明，部分吸收能量以光子形式重新发射，这可能是光刻胶溶解度开关所需剂量增加两倍的原因。
• CB中芳香基团的存在可能增强了非辐射或辐射弛豫路径，淬灭激发态，降低光化学量子产率。
• 系统成功实现了XEOL与XTAS的同步测量，实现了对飞秒至纳秒时间尺度载流子动力学的全面观测。