Sviluppo di un apparato di spettroscopia terahertz nel dominio del tempo per lo studio di campioni di GaAs irraggiati con ioni Bromo e Protoni

L'obiettivo di questo lavoro di tesi e l'allestimento di un apparato di spettroscopia terahertz per lo studio del tempo di ricombinazione e di mobilità, in campioni ottenuti tramite l'irraggiamento di Gallio Arsenico semisolante.
Questo nuovo tipo di materiale semiconduttore dovrebbe presentare tempi di ricombinazione molto brevi (da qualche decina di ps fino a valori inferiori al ps) e allo stesso tempo, valori elevati di mobilità. Ottenere entrambe queste caratteristiche è una condizione dicile da ottenere.
Materiali di questo tipo possono trovare applicazioni in esperimenti di fisica fondamentale, e nello sviluppo di dispositivi con tempi di risposta veloci.
La caratterizzazione di questo materiale attraverso misure di spettroscopia terahertz ha consentito di:
- ottenere l'andamento del tempo di ricombinazione e mobilità in funzione della dose d'irraggiamento;
- individuare le criticità di questo apparato;
- ottimizzare il processo di irraggiamento dei campioni.
La radiazione al terahertz (THz) è radiazione elettromagnetica la cui lunghezza d'onda e compresa nella regione dello spettro elettromagnetico tra le microonde e l'infrarosso.
Questo intervallo di frequenze corrisponde ai livelli di eccitazione di basse energie in materiali elettronici, ai modi vibrazionali a bassa frequenza in mezzi a stato solido, e alle transizioni vibrazionali e rotazionali nelle molecole.
L'apparato di spettroscopia THz utilizzato è del tipo optical pump-THz probe, in cui un laser impulsato genera coppie elettrone-lacuna in un semiconduttore, e un impulso di radiazione nel dominio delle frequenze del THz sonda le proprietà del materiale a istanti successivi dall'arrivo dell'impulso. Il segnale che viene ottenuto corrisponde ad una variazione di conducibilità transiente del campione sotto studio. Questo segnale e direttamente collegato al transiente di densità dei portatori foto-eccitati nel semiconduttore, da cui é possibile ottenere quindi una misura del tempo di ricombinazione, mentre la mobilità viene ottenuta tramite il confronto delle ampiezze massime dei segnali.
L'elemento chiave di questo apparato è un laser in grado di generare impulsi ultrabrevi della durata di alcune decine di femtosecondi (fs), che consente misure di transienti ultrarapidi, altrimenti non realizzabili con tecniche di elettronica standard.
La prima parte di questo lavoro di tesi consiste nel mettere a punto l'apparato tramite l'allestimento di un banco ottico, su cui e montato l'oscillatore al femtosecondo e gli elementi attivi per la generazione della radiazione THz. Viene inoltre descritto come vengono eseguite le misure effettuate sui campioni in oggetto di studio, e di come e stato possibile realizzarle con l'apparato allestito.
Dopo aver ottenuto i primi spettri di variazione di conducibilità, e iniziata la seconda parte del mio lavoro di tesi, che consite in uno studio sistematico dei campioni di GaAs irraggiati tramite gli acceleratori situati nei laboratori nazionali di Legnaro dell'INFN.
Nel capitolo 2 viene descritta la procedura utilizzata per l'irraggiamento dei campioni; essa e stata ottenuta facendo riferimento anche ad alcune ricette presenti in letteratura, per la realizzazione di materiali con tempi di ricombinazione ultrabrevi attraverso procedure di irraggiamento.
Per l'impostazione della linea di fascio utilizzata per l'irraggiamento dei campioni di GaAs, sono state eseguite delle simulazioni Monte Carlo. Quest'ultime permettono di ottenere informazioni sul tipo di processi che avvengono nel reticolo cristallino del materiale una volta irraggiato tramite ioni.
In questo capitolo è anche descritto come si è ottenuta l'uniformità di irraggiamento del materiale, grazie alla quale si può garantire l'uniformita di superficie e di volume dall'irraggiamento.
Le misure effettuate in questo lavoro di tesi sono presenti in capitolo 3. In questo capitolo si è cercato di esporre tutti i risultati ottenuti, e le problematiche incontrate durante le misure. Le informazioni che si sono ottenute dalle prime misure hanno consentito di migliorare la tecnica con cui vengono irraggiati i campioni. Anche lo stesso apparato è stato migliorato in continuazione grazie all'esperienza maturata durante il mio lavoro di tesi, andando così ad ottenere misure sempre più precise e dettagliate.
E' stato così possibile ottenere gli andamenti del tempo di ricombinazione e della mobilità in funzione della dose per protoni, andamenti in alcuni aspetti in sintonia con le misure presenti in letteratura.
Per gli irraggiamenti tramite ioni pesanti e stato osservato invece, come la procedura di irraggiamento non garantisce dati sulla dose irraggiata attendibili, non consentendo di osservare un andamento del tempo di ricombianazione in funzione della dose.