Carbon membranes and nanofoam for laser-plasma interaction experiments

Advanced carbon-based targets are key components in laser-plasma interaction experiments: ultrathin solid membranes are essential for laser-driven ion acceleration, while low-density nanostructured foams are promising ablators for Inertial Confinement Fusion (ICF) applications. This thesis presents the production and characterization of two classes of advanced carbon-based targets, one for each of these two applications, developed at the NanoLab of Politecnico di Milano. The first part is devoted to the first characterization of sp-rich carbon membranes, produced via a novel method in which a H-terminated polyyne solution in cyclohexane evaporates on a water surface. SEM and EDXS identify two main structural features: a dense amorphous film (10-70 nm, rho = 1.19 g/cm^3) and porous carbonaceous flakes (rho = 24.5 mg/cm^3), forming an inherent near-critical double layer structure with both densities independent from the production parameters, alongside two secondary features: vertically oriented leaves and hollow spheres. Raman analysis revealed a hydrogenated amorphous carbon structure with a significant sp fraction for all the features. A two-stage formation mechanism was proposed, governed by a concentration threshold of ~1.73 mmol/L above which film growth and flake formation accelerate significantly. The second part addresses target production. The feasibility of sp-rich membranes in free-standing and Double Layer Target (DLT) configurations was demonstrated. Membranes with sufficient areal polyyne density withstand over 1 mm holes without rupture, and nanofoams of Tree-like and Fractal-like morphologies were deposited by ns-PLD. Moreover, Triple Layer Targets (TLTs) for the LULI2000 campaign were produced by sequential PLD deposition of a compact gold layer (5 um) and a nanofoam on quartz substrates. Ten TLTs were delivered and preliminary results confirmed the gold layer prevented substrate preheating and that the Tree-like morphology yielded stronger shock wave signals.

I target a base di carbonio sono componenti chiave negli esperimenti di interazione laser-plasma: le membrane ultrasottili sono essenziali per l'accelerazione di ioni da laser, mentre l'utilizzo di foam nanostrutturate a bassa densità è interessante per ablatori in applicazioni di Fusione a Confinamento Inerziale (ICF). Questa tesi presenta la produzione e la caratterizzazione di due classi di target a base di carbonio per ciacuna di queste due applicazioni, sviluppati presso il Politecnico di Milano. La prima parte è dedicata alla caratterizzazione di membrane ricche di componenti sp, prodotte con un nuovo metodo in cui una soluzione di poliini terminati a idrogeno in cicloesano evapora su una superficie d'acqua. Le immagini SEM e le misure EDXS hanno identificato due strutture principali: un film amorfo compatto (10-70 nm, rho_{film} = 1.19 g/cm^3) e dei fiocchi carboniosi (rho_{flake} = 24.5 mg/cm^3), che formano un doppio strato con densità indipendenti dai parametri di produzione, oltre a altre due strutture secondarie: fogli e sfere cave di carbonio. Dall'analisi Raman la membrana risulta essere una struttura di carbonio amorfo con una frazione sp significativa. È stato individuato un meccanismo di formazione in due stadi, governato da una concentrazione di soglia di ~1.73 mmol/L, oltre la quale la crescita del film e la formazione dei fiocchi accelerano. La seconda parte tratta la produzione dei target. La produzione delle membrane in configurazione free-standing e Double Layer Target (DLT) è stata dimostrata per densità areale di poliini sufficientemente alta su fori di oltre 1 mm. Mentre per la campagna sperimentale a LULI2000, volta allo studio delle nanofoam come ablatori, sono stati prodotti 10 Triple Layer Target (TLT) mediante deposizione in serie di uno strato d'oro compatto (5 um) e di una nanofoam in due morfologie (Tree-like e Web-like) su substrati di quarzo. I risultati preliminari dell'esperimento hanno confermato che lo strato d'oro ha impedito il preriscaldamento del substrato e che la morfologia Tree-like ha prodotto onde d'urto più intense.