Probing Light Emissions at the Nanoscale with Cathodoluminiscence B.J.M. Brenny
Licht is alomtegenwoordig, in het dagelijks leven (denk aan zonlicht, lampen of laser pointers) alsook in wetenschappelijk onderzoek. Zij het in de biologie, geneeskunde, scheikunde of natuurkunde, licht is een essentieel deel van meetmethodes om verschillende structuren en processen te karakteriseren. Dankzij licht kunnen wij de wereld om ons heen beter begrijpen en toepassingen die nuttig zijn voor de samenleving ontdekken of verbeteren. In de laatste decennia heeft de wetenschap de biologische en fysische werelden in steeds meer detail onderzocht, steeds weer de grenzen verleggend naar kleinere lengteschalen. Verbeteringen in de microscopie hebben een grote rol gespeeld in deze ontwikkelingen; elke toename in resolutie gaat gepaard met het ontrafelen van eerder onbekende kenmerken. Nanofotonica, het bestuderen van licht op de nanoschaal, is een levendig onderzoeksgebied met veel belangrijke toepassingen, zoals nieuwe zonnecellen, LEDs, gevoeligere sensoren en geïntegreerde optische chips. Om licht op nanoschaal te kunnen controleren en manipuleren, is het van essentieel belang om nanostructuren, en hun interactie met licht, op diezelfde schaal te meten en te karakteriseren. Om deze reden zijn technieken nodig die optische eigenschappen kunnen bepalen op een lengteschaal kleiner dan de golflengte van licht. Elektronen zijn nuttige handlangers om dit doel te bereiken, omdat ze een veel hogere kinetische energie en veel kleinere golflengtes kunnen hebben dan fotonen in het optische spectrale gebied. Elektronenmicroscopen zijn al decennia in gebruik om de afmeting en vorm van nanostructuren te bepalen, maar hoogenergetische elektronen kunnen ook worden gebruikt om elektromagnetische straling te genereren. Hierdoor kan men de interacties tussen elektronen, licht en materie onderzoeken op lengteschalen veel kleiner dan de golflengte van licht, met behulp van elektronenspectroscopietechnieken. In dit proefschrift wordt gebruik gemaakt van een van deze methodes, kathodeluminescentie (CL) spectroscopie. We beschrijven verschillende CL technieken en voegen nieuwe meetmethodes toe aan de bestaande hoekopgeloste CL beeldvorming spectroscopie opstelling (ARCIS). Door elektronenmicroscopie te integreren met optische microscopie kunnen we een excitatie resolutie halen in de orde van 10 nm. De spectrale-, hoekafhankelijke- en 211
polarisatie-eigenschappen van licht dat is uitgezonden door nanofotonische structuren of macroscopische materialen kunnen worden gemeten. Hoofdstuk 2 beschrijft de verschillende detectiemethodes die in dit proefschrift worden gebruikt om alle vrijheidsgraden van licht te meten. In Hoofdstuk 3 ontwikkelen we een theoretisch model om de tijdsafhankelijkheid van elektron-materie interacties te ontrafelen. Een bewegend elektron heeft een elektrisch veld dat verandert in tijd en ruimte. Het bestuderen van deze eigenschappen is van cruciaal belang om te begrijpen hoe de interactie tussen elektronen en materie kan leiden tot elektromagnetische straling. Om dit te bereiken bekijken we eerst de velden van een bewegend elektron in vacuüm. Vervolgens bestuderen we coherente CL processen die plaatsvinden als een elektron door een metaaloppervlak indringt. Oppervlakteplasmonpolaritonen (SPPs) worden aangemaakt en propageren over het oppervlak, als golfpakketten die maar een paar honderd femtosecondes lang duren. Hoogfrequente componenten dichtbij de plasmon resonantie worden sterk gedempt, dus lagere frequenties domineren wanneer de golfpakketten verder van de excitatiepositie komen. Transitiestraling (TR) is een ander proces, dat uitstraalt naar het verre veld, in de vorm van ultrasnelle golfpakketten die maar een paar tientallen femtosecondes lang duren, en die sterk afhankelijk zijn van de emissiehoek en de permitiviteit van het medium. Met dit theoretisch kader kunnen we nu experimenten uitvoeren die gebruik maken van nieuwe CL methodes om nanoschaal-licht-materie interacties te bestuderen. Hoofdstuk 4 toont aan dat hoekopgeloste kathodeluminescentiemetingen gebruikt kunnen worden om coherente en incoherente stralingsprocessen van elkaar te scheiden. Metalen zoals aluminium vertonen hetzelfde hoekafhankelijke emissiepatroon als een verticale dipool, als gevolg van transitiestraling. De emissie van luminescerende materialen zoals galliumarseen (GaAs) wordt (bij de bandgapenergie) gedomineerd door incoherente straling met een Lambertiaans hoekprofiel. Voor silicium zijn transitiestraling en luminescentie vergelijkbaar in sterkte, maar de precieze verhouding tussen de twee is afhankelijk van de golflengte. We kunnen de hoekopgeloste metingen fitten om de verhouding van deze processen te bepalen, en op die manier kunnen we hun bijdrage aan het gemeten spectrum van elkaar scheiden. Polarisatie gebruiken zou echter een meer algemene manier opleveren om deze verschillende stralingsprocessen te scheiden. In Hoofdstuk 5 introduceren we hoekopgeloste CL-beeldvormingpolarimetrie als een nieuwe methode om de volledige polarisatietoestand van CL emissie te bepalen. Het combineren van 6 metingen voor verschillende instellingen van een kwart-lambda faseplaat en een lineaire polarisator leidt tot het vaststellen van de Stokes parameters, die volledig de polarisatie van licht karakteriseren. We testen de techniek met transitiestraling, en passen het daarna toe op metallische bullseye - en spiraalantennes. We laten zien dat nanoschaalveranderingen in de excitatiepositie en de draairichting van de structuren leiden tot grote veranderingen in de ellipticiteit en heliciteit van de polarisatie. Polarimetrie maakt het ook mogelijk om gepolariseerd en ongepolariseerd licht van elkaar te scheiden. Hierdoor kunnen we met meer detail dan in Hoofdstuk 4 coherente (gepolariseerde) en incoherente 212
(ongepolariseerde) emissie onderscheiden, voor oppervlaktes van goud, galliumarseen en silicium. Hoofdstuk 6 gebruikt de CL-polarimetrietechniek die ontwikkeld is in Hoofdstuk 5 om de hoek- en polarisatieafhankelijke emissie te meten van verticale indiumfosfidenanodraden met verschillende lengtes. De elektronenbundel exciteert bandgapluminescentie in de nanodraden, en de resulterende emissie naar het verre veld vertoont azimutaal gepolariseerde ringen, waarbij het aantal ringen afhangt van de hoogte van de draad. We vinden een goede overeenkomst tussen de metingen en een model waarin de emissie van de bovenkant van de draad interfereert met de reflectie vanaf het substraat. De metingen en berekeningen geven een schatting van de grootte van de emissieregio, wat tot een nieuwe manier leidt om de diffusielengte van ladingsdragers te bepalen. In Hoofdstuk 7 gebruiken we CL polarimetrie om horizontale galliumarseennanodraden met verschillende diameters te bestuderen. Bandgapluminescentie, die geëxciteerd wordt door de elektronenbundel, koppelt met golfgeleidermodes die afhankelijk zijn van de diameter van de nanodraad en die de directionaliteit en polarisatie van de emissie bepalen. De polarimetriemetingen tonen aan dat voor alle draden de TM01 golfgeleidermode het emissiegedrag domineert. Er is echter wel een duidelijk verschil in directionaliteit tussen dikke en dunne nanodraden als we ze dicht bij de uiteinden exciteren. Dit komt door een overgang in de golfgeleidermode van een gedrag dat licht lekt voor de dunne draad tot een gedrag dat licht geleid voor de dikke draad, wat overeenkomt met een simpel lijnstroommodel en numerieke simulaties. De metingen in de voorgaande hoofdstukken geven alleen ruimtelijke informatie over lichtemissie in 2D. Hoofdstuk 8 introduceert spectroscopische CLtomografie, een nieuwe methode om de 3D optische eigenschappen van structuren op de nanoschaal te karakteriseren. We meten 2D CL intensiteitsverdelingen van een metaal-diëlektrische nanostructuur voor verschillende oriëntaties en gebruiken daarna de methode van gefilterde terugprojectie om een 3D beeld van de CL emissie te reconstrueren. Door de 3D CL distributie te bestuderen voor meerdere golflengtes kunnen we materiaalluminescentie en elektromagnetische eigentoestanden herkennen en onderscheiden, omdat ze ruimtelijk en spectraal van elkaar verschillen. Tot nu toe hebben we experimenten beschreven die in of dichtbij het zichtbare spectrale gebied zijn uitgevoerd (λ 0 =400 1000 nm). In Hoofdstuk 9 voeren we CL spectroscopie uit in het nabij-infrarood spectrale gebied (λ 0 =1000 1600 nm) om silicium fotonische kristal golfgeleiders te bestuderen. 2D CL intensiteitsverdelingen vertonen scherpe resonanties met gedetailleerde ruimtelijke verdelingen en een sterke lineaire polarisatie. De dominante resonantie correleert met berekeningen voor een oneven TE golfgeleidermode in de structuur. CL koppelt het meest efficiënt aan verticale (TM) modes, maar onze metingen tonen aan dat het ook mogelijk is om aan TE modes te koppelen, zodanig dat deze de gemeten emissie domineren. 213
Dit proefschrift toont aan dat kathodeluminescentiespectroscopie een krachtige nanoschaal karakterisatietechniek is waarmee een grote verscheidenheid aan optische eigenschappen van nanofotonische structuren kan worden bepaald. Het brede scala van experimenten en nieuwe theoretische ideeën die gepresenteerd worden in dit proefschrift verschaffen nieuwe fundamentele inzichten in de interacties tussen elektronen, materie en licht, alsmede in het gedrag van licht op de nanoschaal. 214