プラズモニック光伝導テラヘルツエミッターの設計、製作、および実験特性

Engineering

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Summary

我々は、設計、製造、および従来型の光導電性エミッタに比べて大きさより高いテラヘルツパワーレベルの二桁を提供プラズモン光導電性エミッタの実験的特性評価のための方法を記載している。

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Berry, C., Hashemi, M. R., Unlu, M., Jarrahi, M. Design, Fabrication, and Experimental Characterization of Plasmonic Photoconductive Terahertz Emitters. J. Vis. Exp. (77), e50517, doi:10.3791/50517 (2013).

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Abstract

このビデオの記事では、テラヘルツ波を発生させるために非常に効率的な方法の詳細なデモを提示します。我々の技術は、テラヘルツ生成1-8のための最も一般的に使用される技術の一つとなっている光伝導に基づいている。感光エミッタにおけるテラヘルツパルス発生をヘテロダイン又はレーザ照射による超高速光導電体を励起することによって達成される。ポンプレーザのエンベロープに追従誘起光電流は、テラヘルツ放射を生成するために感光コンタクト電極に接続されたテラヘルツ放射アンテナに送られる。感光エミッタの量子効率が理論的に100%に達することができるが、従来の光導電体のコンタクト電極に光生成キャリアの比較的長い輸送経路の長さは厳しく、その量子効率を制限してきた。また、キャリアスクリーニング効果と熱破壊は厳密には最大出力pを制限するとower従来の光伝導テラヘルツ光源の。従来の光導テラヘルツ放射体の量子効率の限界に対処するために、我々は、同時に高い量子効率および超高速動作を提供するプラズモンコンタクト電極構造を組み込んだ新たな感光エミッタ概念を開発した。ナノスケールプラズモンコンタクト電極を用いることにより、我々はかなり従来の感光体9と比較して、感光コンタクト電極に平均光生成キャリア輸送路を低減する。本手法はまた、高い光ポンプパワーでキャリアスクリーニング効果と熱破壊を防止することにより、最大のテラヘルツ放射電力を昇圧し、アンテナに容量性負荷が大幅に増大させることなく、感光体活性領域を増加させることができる。プラズモンコンタクト電極を組み込むことにより、従来の感光TEの光 - テラヘルツ電力変換効率を高めることを実証50 10倍rahertzエミッタ。

Introduction

我々は、2桁光 - テラヘルツ変換効率を高めるためにプラズモン接触電極構成を使用して新規な感光テラヘルツエミッタを提示する。我々の技術、すなわち、従来の光導電テラヘルツエミッタ、高い量子効率と、従来の感光体の超高速動作の間の固有のトレードオフに由来する低出力電力と貧しい電力効率の最も重要な制限に対処しています。

このリープフロッグ性能改善につながった私たちの設計における重要なノベルティの一つは、サブ内に収集することができるように、コンタクト電極に近接した光生成キャリアを多数蓄積するコンタクト電極構造を設計することであるピコ秒時間スケール。換言すれば、感光体超高速動作、高量子効率とのトレードオフは、光属の空間操作によって緩和されるテッドキャリア。プラズモニック接触電極(1)プラズモン電極(回折限界を超えて)、金属接触で(2)異常 ​​光強化と半導体インターフェース10、11を光吸収の間にナノスケールデバイスの活性領域への光閉じ込めを可能にすることにより、このユニークな機能を提供します。当社のソリューションのもう一つの重要な属性は、テラヘルツ放射アンテナに寄生負荷のかなりの増加することなく、大きな感光アクティブ領域に対応することです。活用大感光アクティブ領域は、従来の光導電性エミッタからの最大放射電力のための究極の限界である、キャリアスクリーニング効果と熱破壊を軽減できます。このビデオの記事は、支配物理学、数値モデリング、および実験的検証を記述することで我々の提示ソリューションのユニークな属性に集中している。我々は実験的にプラズモニックなPhotから50倍も高いテラヘルツパワーを発揮非プラズモニック接触電極と同様の光導電性エミッタと比較しoconductiveエミッタ。

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Protocol

1。プラズモン光導電エミッタ作製

  1. プラズモニック格子を作製。
    1. イソプロパノール(2分間)、続いて、脱イオン水(10秒)ですすぎ、アセトン(2分)中に浸漬することにより、半導体ウエハをクリーニングします。
    2. 窒素でサンプルを乾燥し、℃で90秒間、任意の残りの水を除去するために115℃ホットプレート上で、それを加熱する。
    3. 45秒間4,000 rpmで試料上でスピンマイクロケム950KのPMMA A4。プリベークは、3分間180℃のホットプレート上のレジスト。
    4. 電子ビームリソグラフィツール(JEOL JBX-6300-FS)に試料をロードします。 100kVの加速電圧を用いて、650μC/ cm 2の周辺の基地用量でプラズモン格子パターンを露光する。
    5. MIBKでサンプルを浸漬することにより、PMMAの開発:90秒1時03 IPA混合。すぐに60秒のための純粋なイソプロパノール液にサンプルを転送します。
    6. 10秒間脱イオン水でサンプルを洗浄した後、窒素でサンプルを乾燥させます。
    7. プラズマストリッパー(YES-CV200RFS)に試料をロードします。デスカム10秒間100sccmのO 2流量で30℃で30 W RF電力を使用してサンプル。
    8. HCl中に浸漬することにより、表面酸化物を除去:H 2 30秒0 3時10分混合。すぐに4分間の脱イオン水をすすぎカスケードにサンプルを移す。
    9. 金属蒸着前に大気中の酸素への曝露を最小限にするための脱イオン水をビーカーにサンプルを移す。
    10. 金属蒸発器(デントンSJ-20)に脱イオン水に、試料を入れたビーカーを取る。チャンバーを大気開放してから、削除する、乾燥し、そして(これらのステップは、サンプルの表面酸化物の形成を防ぐために、中断せずに従うべきである)チャンバーにサンプルをロードします。
    11. 2×10 -6トル以下の圧力にチャンバーをポンプ。デポジットのTi / Auの(450分の50オングストローム)。
    12. チャンバーを大気開放し、サンプルを削除します。
    13. 堆積した金属をリフトオフするために、テフロン(登録商標)のホルダに試料を置くアセトンのビーカー、カバー、そして一晩おきます。ビーカーを発見、超音波攪拌機に入れ、すべての不要な金属は(通常は30秒)が削除されるまで待ちます。
  2. 預金SiO 2のパッシベーション。
    1. 1.1.2 - ステップ1.1.1のようにサンプルをクリーニングします。
    2. プラズマ化学気相堆積ツール(GSI PECVD)でサンプルをロードする。 200℃で、SiO 2の預金1500Å
  3. のSiO 2を介してコンタクトビアを開きます。
    1. 1.1.2 - ステップ1.1.1のようにサンプルをクリーニングします。
    2. 30秒間4,000 rpmでHMDSでスピン。 30秒間4,000 rpmでMegaposit SPR 220から3.0フォトレジスト上にスピン。プリベークは、90秒間115℃のホットプレート上のレジスト。
    3. 投影リソグラフィステッパー(GCAオートステップ200)に試料とマスクプレートをロードします。サンプルの位置を合わせて公開します。
    4. 90秒間115℃のホットプレート上で露光されたフォトレジストをポストベーク。
    5. 6 AZ 300 MIFの開発者のレジストの開発0秒。
    6. すぐにカスケードにサンプルを移動する4分間の脱イオン水をすすぎ。窒素でサンプルを乾燥させる。
    7. 反応性イオンエッチング装置(LAM 9400)に試料をロードします。 500 WのTCP RF電力を用いてエッチングするのSiO 2、100 WのバイアスRF電力、15 sccmのSF6 - 、C 4 F 8、彼50sccmの50sccmの、80秒間のAr 50sccmの。
    8. イソプロパノール(2分)、続いてアセトン(5分)で、サンプルを置くことによって、フォトレジストの大部分を削除します。脱イオン水(10秒)ですすいでください。窒素で乾燥させます。
    9. プラズマストリッパー(YES-CV200RFS)でサンプルをロードすることにより、残留フォトレジストを除去。 5分間100sccmのO 2流量で30℃で800 W RF電力を用いてフォトレジストを除去。
  4. アンテナ及びバイアス線を作製。
    1. パターンアンテナとバイアスラインに1.3.6 - ステップ1.3.1を繰り返します。
    2. 表面酸化物を除去するために1.1.9 - 1.1.8の手順を繰り返します。
    3. サンプルを含むビーカーを取り、金属蒸発器(デントンSJ-20)に脱イオン水。
    4. チャンバーを大気開放してから、すぐに削除、乾燥、およびチャンバーにサンプルをロードします。
    5. 2×10 -6トル以下の圧力にチャンバーをポンプ。預金のTi / Auの(10月4日、000Å)。
    6. チャンバーを大気開放し、サンプルを削除します。
    7. 堆積された金属をリフトオフするステップ1.1.13を繰り返します。
  5. サンプルをパッケージ化します。
    1. 8ミリメートル穴付き2インチアルミワッシャーにのり直径12mm超半球のシリコンレンズのエッジを。
    2. 一つはアルミワッシャーに、簡単に半田缶に金属トレースと糊のPCBボードを、。
    3. 薄いエポキシ樹脂を用いてシリコンレンズ上に作製したプラズモニック光伝導テラヘルツエミッタプロトタイプをマウントします。
    4. 同じアルミワッシャーに接着PCBボードにワイヤボンドは、デバイスの接触パッド。
    5. PCB基板上の金属トレースにはんだワイヤー。
    6. パラメトリック·アナライザ(ヒューレットパックにデバイスの接触パッドを接続しますテスト目的でPCB基板の対応するパッドに半田ワイヤを使用してARD 4155A)。

2。プラズモン光導電エミッタ特性

  1. デバイスの整列。
    1. 回転マウントにプラズモン光導テラヘルツエミッタプロトタイプを運ぶアルミワッシャーを置き、しっかりとチタンから光ポンプを集中:サファイア各デバイスの活性領域にレーザ(MIRA 900D V10 XW OPT 110V)をモードロック。
    2. 光ポンプの電界が表面プラズモン波(プラズモン格子に対して垂直な)の効率的な励起に向くよう回転マウントを調整します。
    3. 同時に、各デバイスにバイアス電圧を印加し、各デバイスに誘導される電流を測定するためにパラメトリックアナライザを使用。被試験各デバイスの光電流を最大にすることによって最適な光ポンプアライメントと偏光調整を確認してください。
  2. 出力電力測定urement。
    1. 各デバイスのモードロックポンプレーザ入射から光ポンプを変調する光チョッパ(ソーラボMC2000)を使用します。
    2. 焦電検出器(スペクトル検出器株式会社SPI-A-65テラヘルツ)を使用してプラズモン光導テラヘルツエミッタプロトタイプの出力パワーを測定します。
    3. 低ノイズレベルでテラヘルツ電力データを回復するために光チョッパの基準周波数をロックインアンプ(スタンフォードリサーチシステムズSR830)に焦電型検出器の出力を接続します。
  3. 放射スペクトル特性評価。
    1. チタンで始まる:サファイアモード同期レーザとポンプ光とプローブ光にモード同期レーザの出力を分割するビームスプリッタを使用する。
    2. ポンプパスに光ビームを変調する電気光学変調器(ソーラボEO-AM-NR-C2)を使用します。テラヘルツ放射を生成するために被試験感光エミッタの活性領域上に、ポンプビームをフォーカス。
    3. 平行にする第一ポリエチレン球面レンズを用いて発生したテラヘルツビーム。第二ポリエチレン球面レンズを使用したコリメートテラヘルツビームを当てる。
    4. テラヘルツビームの焦点の前に、ITO被覆ガラスフィルターを用いてプローブ光ビームにコリメートされたテラヘルツビームを組み合わせる。
    5. 厚さ1mmを置き、<110> ZnTeの結晶は、光学とテラヘルツビームを合わせた焦点に回転ステージ上に搭載。
    6. たZnTe結晶の内部に相互作用する光とテラヘルツパルス間の時間遅延を変化させる電動式リニアステージ(Thorlabs社NRT100)を使用して、光プローブ路に制御可能な光学遅延線を挿入する。
    7. プローブ経路に半波長板を用いて、テラヘルツ偏光方向に対して45°の角度であることが光プローブの偏光を回転させる。
    8. たZnTe結晶後四半期波長板を使用して、円偏光に光ビームの偏光に変換します。
    9. CIRCULスプリットウォラストンプリズムによって、2つのブランチにアルリー偏光ビーム。ロックイン増幅器に接続された2つの平衡検出器を使用して、各ブランチにおける光ビームのパワーを測定する。
    10. コンピュータに電動遅延線とロックインアンプを接続します。 、繰り返し電動遅延線の位置を移動するためのMatlabのスクリプトを書いて一時停止し、ロックインアンプからの信号の大きさをお読みください。
    11. 光の速度、総光遅延の長さを分割介して、時間領域にステージ位置を変換し、周波数領域データを取得するために慎重なフーリエ変換(Matlabのを使用)した。

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Representative Results

電極に連絡するキャリア輸送時間を短縮するプラズモンコンタクト電極を組み込んだ( 図1a)は、従来とプラズモン( 図1b)感光エミッタ:テラヘルツパワー増強のためのプラズモン電極の電位を示すために、我々は2つのテラヘルツエミッタを作製した。両方ともデザインは同じLT-GaAs基板上に作製さ100μmと30μmの最大値と最小幅で60μmの長いボウタイアンテナに接続されたアノードとカソード接点間20μmのギャップ、、それぞれ、と超高速光導電体で構成されています。プラズモン光導電性エミッタは、ボウタイアンテナの入力ポートに2ナノスケールプラズモン接触格子を組み込んでいます。平均ペーハーを最小限に抑えるためプラズモン電極間の間隔を最小限に抑えながら、最適なプラズモン接触電極構成の設計戦略は、光吸収性基材への光ポンプの伝送を最大化されるコンタクト電極におとで生成されたキャリア輸送路の長さ。我々は、入射光ポンプに設計されたプラズモン接触電極と感光体の応答を推定するマルチフィジックス有限要素ソルバー(COMSOL)を使用します。この目的のために、光生成キャリア密度は、光吸収性基質で計算された光強度から誘導され、誘導される光9を算出する古典的なドリフト拡散モデルにおけるバイアス電界データと組み合わせることができる。それらは、金属界面で光ポンプのタイトな閉じ込めを有効にし、従って、コンタクト電極に短い光生成キャリア輸送路の長さを提供するため、励起光波長において強いプラズモン特性を有する金属が好ましい。概念実証プラズモン光導電性エミッタのために、我々は、100nmのAu幅、100nmの間隔、及び800nm​​の光PUMの70%以上の透過を可能にする50nmの高さを有するプラズモン格子を設計光吸収基板11,12内にナノスケール格子を介してウェブ。チタンからの入射光ポンプ:サファイア800nm ​​の中心波長を有するレーザ、76 MHzの繰り返し率は200フェムト秒のパルス幅が密放射最大化するために、各作製したデバイス(図2a)上に集束され、アノードコンタクト電極の近傍に配置したパワー13-15。従来の光導電性エミッタのための放射電力を最大化するために、光電界は、アノードとカソードコンタクト電極間のギャップにまたがるように配向であった。プラズモン光導電性エミッタのために、電場は、金属格子に対して垂直に配向であった。各感光エミッタから発生したテラヘルツ電力は焦電検出器を用いて測定した。 図2bは、電気的にさまざまな光ポンプパワーの下で、40 Vにバイアスプラズモン、従来のテラヘルツエミッタからの測定されたテラヘルツ放射を示す。私NSET曲線は対応する光電流を示しています。 25 mWの光ポンプ電力範囲 - 以上33の放射電力の向上が0でプラズモニック光導電性エミッタから観察された。この重要な放射パワーの強化は、プラズモニック接触電極を採用したときに生成される、より高い光電流レベルに起因している。 図2cは、プラズモニック、従来のテラヘルツエミッターのため収集した光電流に対して測定テラヘルツ放射を示しています。さまざまな光ポンプパワー下(5から25 mW)と - プロット表されるデータは、さまざまなバイアス電圧(40 V 10)が含まれています。データポイントは、すべての誘発光電流と(アンテナの仕様を含む)他のすべての動作条件は、従来のための同じであることを事実上の放射電力の二次依存性を確認する2の傾きと同じラインにカーブ圧入され、プラズモン光導電性エミッタプロトタイプ。 図2Dテラヘルツパワーenhancを示していますement係数は、従来のテラヘルツエミッタにプラズモンテラヘルツエミッタによって放射されるテラヘルツパワーの比として定義される。低光ポンプ電力レベルと最大30〜50 V、出力パワー増強因子のバイアス電圧で観測された。増強因子は、より高い光ポンプ電力レベルおよび高いバイアス電圧でわずかに減少する。それ以上光電流を生成し、電子 - 正孔対の数を増やす分離されているので、これは、多くの従来の感光体よりプラズモン感光体に影響を与えるべきキャリア遮蔽効果によって説明することができる。最後に、最大のテラヘルツパワーは100 mWの光ポンプ( 図2E)下プラズモンと従来のテラヘルツエミッターから測定。各デバイスのバイアス電圧は、デバイスの障害点まで増加される。最大で、プラズモン光導電性エミッタは、従来の光導電性エミッタ12μWに比べ、250μWの平均電力を生産10。

図1
図1。概略図と感光テラヘルツエミッタの動作概念。(a)は 、従来の光導テラヘルツエミッタ。モニック接触電極を組み込んだ(b)のプラズモン光導テラヘルツエミッターは大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください

図2
図2。従来とプラズモン光導テラヘルツエミッタ10の比較(a)は作製したデバイス·イメージ。電気各種光学ポンプパワーの下で、40 Vでバイアスプラズモンと従来のテラヘルツエミッタから(b)の測定テラヘルツ放射。はめ込み曲線はcorrespを示しています(c)は測定テラヘルツ放射プラズモン、従来のテラヘルツ放射体に対して収集された光電流対光電流をとめどなく流れ出ること。様々な光学ポンプパワー(5 -または25mWで)未満-プロットにおいて示されているデータは種々のバイアス電圧(40 V 10)を含む。にプラズモンテラヘルツエミッタによって放射されたテラヘルツパワーの比として定義される(d)の相対テラヘルツパワー増強従来のテラヘルツエミッタ(E)最大テラヘルツパワーは100 mWの光ポンプ下プラズモンと従来のテラヘルツエミッターから測定。各デバイスのバイアス電圧は、デバイスの障害点まで増加される。最大で、プラズモン光導電性エミッタは、従来の光導電性エミッタ12μWに比べ、250μWの平均電力を生産した。 より大きい数字を表示するには、ここをクリックしてください

図3。プラズモン光導電性エミッタ放射10のスペクトル特性放射スペクトルはモードロックチタンから200フェムト秒の光パルスに応答して測定されています。800nm ​​の中心波長として時間領域テラヘルツ分光法のセットアップで76 MHzの繰り返し率とサファイアレーザー電気光学検出。()時間領域での放射電力(b)は周波数領域での放射電力。 0.35テラヘルツと0.55テラヘルツの周りに観測された放射線のピークが採用ボウタイアンテナの共振ピークに関連付けられている、と0.1テラヘルツ周りに放射ピークはボウタイアンテナバイアスラインによって形成されたダイポールアンテナの共振ピークに関連付けられていますここをクリックする大きい数字を表示する

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Discussion

このビデオ本稿では、2桁光 - テラヘルツ変換効率を高めるためにプラズモン接触電極構成を使用して新規な感光テラヘルツ生成手法を提案する。提示プラズモン光導電性エミッタからのテラヘルツ放射電力の大幅な増加は、将来の高感度テラヘルツイメージング、分光法と高度な化学物質の識別、医療用画像処理、生物学的センシング、天文学、大気センシング、セキュリティスクリーニングに用いる分析システムのために非常に貴重であり、材料特性。

このビデオの記事の焦点は、超高速光導電体の誘導光電流を高めることでプラズモン電極の影響の実証されており、光伝導テラヘルツエミッターからのテラヘルツ放射電力。これにより、感光エミッタアーキテクチャ、テラヘルツ放射アンテナと、バイアス供給の選択肢我々のデモに任意であったが、拡張コンセプトは、同様に噛み合わさコンタクト電極並びにパルス及び連続の両方で大面積感光テラヘルツエミッタの有無にかかわらずテラヘルツアンテナの様々な感光テラヘルツエミッタからの放射電力を強化するために適用することができる波操作。この点で、試作装置の出力電力は、共振空洞3,16、大型デバイス活性領域17〜22、およびより高い放射線耐性と帯域23と24とアンテナの使用を介してさらに向上させることができる。また、プラズモン光導電体に記載量子効率向上機構は、同様に25-27、感光テラヘルツ検出器の感度および検出感度を高めるために使用することができる。

それは、高性能プラズモン光導電テラヘルツエミッタを実現するための最も重要なステップはパットであることに留意すべきであるプラズモニック接触電極をterning。一方、高い光学ポンプ吸収および、したがって、より高い光 - テラヘルツ変換効率で高アスペクト比プラズモンコンタクト電極を使用することによって達成することができる。それは厚いレジスト層、したがって、プラズモンコンタクト電極の高いアスペクト比が、既存の電子ビーム露光装置の解像度に制限される必要があるため一方、ナノスケールフィーチャサイズと厚さの金属の機能をリフトオフすることは困難である。

私たちは、私たちの仕事は3桁を超えてプラズモン光導電性エミッタの光 - テラヘルツ変換効率をプッシュする近い将来に進化していくと信じています。この点に関して、光吸収半導体28-30内部に埋め込 ​​まれた高アスペクト比プラズモン接触電極の使用は、感光コンタクト電極およびその効率的な寄贈に光キャリアの大多数の超高速輸送を可能にするテラヘルツ世代へution。内部に埋め込まれた高アスペクト比プラズモンコンタクト電極の使用は光吸収半導体はまた、抑制DC感光エミッタ電流(一般に)と連続で望ましくない破壊的な干渉を防止するために使用され、短いキャリア寿命半導体を使用する必要がなくなり波光導電性エミッタ(特定で)。高品質結晶半導体に比べて低いキャリア移動度及び熱伝導率31を有する短いキャリア寿命の半導体を使用する必要性を排除し、将来の高出力、高効率の光伝導テラヘルツエミッタに重要な影響を有するであろう。また、ユニークな機能( 例えばグラフェンベース伝導エミッタ優れたキャリア移動度の恩恵やGaN系光導電性エミッタそれと光吸収半導体に基づく光伝導テラヘルツエミッタの新世代につながる可能性優れた熱伝導率からのそのベネフィット)。

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Disclosures

利害の衝突は宣言されていない。

Acknowledgments

著者は、LT-GaAs基板を提供するためPicometrixに感謝したいとありがたくミシガンスペースグラントコンソーシアム、ドクタージョンアルブレヒト(契約#N66001-10-1から4027)、NSFキャリアによって管理DARPAヤング学部賞からの財政支援を認めるであろう賞は、博士サミールエルGhazaly(契約#N00014-11-1から0096)、ポール博士真紀(契約#N00014-12-1から0947)によって管理ONR若手研究賞、およびによって管理ARO若手研究賞によって管理博士が開発パーマー(契約#W911NF-12-1から0253)。

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Reagent
Polymethyl Methacrylate (PMMA) MicroChem 950K PMMA A4
Hexamethyldisilazane (HMDS) Shin-Etsu MicroSI MicroPrime HP Primer
Optical Photoresist Dow Chemical Megaposit SPR 220-3.0
Photoresist Developer AZ Electronic Materials AZ 300 MIF Developer
Methyl Iso-Butyl Keytone (MIBK) Avantor Performance Materials 9322-03
Equipment
Ti:Sapphire Mode-Locked Laser Coherent MIRA 900D V10 XW OPT 110V
Pyr–lectric Detector Spectrum Detector SPI-A-65 THz
Electron-Beam Lithography Tool JEOL JBX-6300-FS
Plasma Stripper Yield Engineering Systems YES-CV200RFS
Metal Evaporator Denton Vacuum SJ-20
Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition Tool GSI GSI PECVD System
Projection Lithography Stepper GCA AutoStep 200
Reactive Ion Etcher LAM Research 9400
Parameter Analyzer Hewlett Packard 4155A
Optical Chopper Thorlabs MC2000
Lock-in Amplifier Stanford Research Systems SR830
Electrooptic Modulator Thorlabs EO-AM-NR-C2
Motorized Linear Stage Thorlabs NRT100

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

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