Forskere udpakker 2D-materialer med lasere

I et nyt papir offentliggjort den 1. maj i tidsskriftet Science Advances , brugte forskere ved Columbia Engineering kommercielt tilgængelige bordlasere til at skabe små, atomisk skarpe nanostrukturer eller nanomønstre i prøver af et lagdelt 2D-materiale kaldet hexagonal bornitrid (hBN).

Mens de undersøgte potentielle anvendelser af deres nanomønstrede strukturer sammen med kolleger i fysikafdelingen, fandt holdet, at deres laserskårne hBN-prøver effektivt kunne skabe og fange kvasipartikler kaldet fonon-polaritoner, som opstår, når atomære vibrationer i et materiale kombineres med fotoner af lys.

"Nanomønster er en vigtig komponent i materialeudvikling," forklarede ingeniør Ph.D. elev Cecilia Chen, der ledede udviklingen af ​​teknikken.

"Hvis du vil gøre et sejt materiale med interessante egenskaber til noget, der kan udføre specifikke funktioner, har du brug for en måde at ændre og kontrollere det på."

Den nye nanomønsterteknik, der er udviklet i professor Alexander Gaetas laboratorium, er en enkel måde at modificere materialer med lys - og den involverer ikke et dyrt og ressourcekrævende renrum.

Et paradoks i nanoskala

Der findes adskillige veletablerede teknikker til at modificere materialer og skabe ønskede nanomønstre, men de har en tendens til at kræve omfattende træning og dyre overhead. Elektronstrålelitografimaskiner skal for eksempel anbringes i omhyggeligt kontrollerede rene rum, mens eksisterende lasermuligheder involverer høj varme og plasma, der let kan beskadige prøver; størrelsen af ​​selve laseren begrænser også størrelsen af ​​de mønstre, der kan skabes.

Gaeta-laboratoriets teknik udnytter det, der i optik- og fotoniksamfundet er kendt som "optisk kørsel". Alle materialer vibrerer ved en bestemt resonans. Chen og hendes kolleger kan forstærke disse vibrationer ved at indstille deres lasere til den frekvens – svarende til en bølgelængde på 7,3 mikrometer i tilfældet med hBN – hvilket de første gang demonstrerede i forskning offentliggjort i november sidste år i Nature Communications .

I det nyligt publicerede arbejde skubbede de hBN til endnu mere intense vibrationer, men i stedet for at beskadige den underliggende atomare struktur, brød laserne krystalgitteret rent fra hinanden. Ifølge Chen var effekten synlig under mikroskopet og lignede at åbne en lynlås.

De resulterende linjer på tværs af prøven var atomisk skarpe og meget mindre - kun et par nanometer - end de mellem-infrarøde laserbølgelængder, der blev brugt til at skabe dem. "Normalt har du brug for en kortere bølgelængde for at lave et mindre mønster," sagde Chen. "Her kan vi skabe meget skarpe nanostrukturer ved hjælp af meget lange bølgelængder. Det er et paradoksalt fænomen."

Små strukturer, stor fysik

For at udforske, hvad de kunne gøre med deres nanomønstrede prøver, slog ingeniørteamet sig sammen med fysiker Dmitri Basovs laboratorium, som er specialiseret i at skabe og kontrollere nano-optiske effekter i forskellige 2D-materialer – herunder at skabe fonon-polaritoner i hBN.

Disse vibrerende kvasipartikler kan hjælpe videnskabsmænd med at "se" ud over diffraktionsgrænsen for konventionelle mikroskoper og opdage træk i materialet, der giver anledning til kvantefænomener. De kan også være en nøglekomponent til at miniaturisere optiske enheder, da elektronik er blevet mindre med årene.

"Det moderne samfund er baseret på miniaturisering, men det har været meget sværere at krympe enheder, der er afhængige af lys end elektroner," forklarede fysik-ph.d. studerende og medforfatter Samuel Moore. "Ved at udnytte stærke hBN-atomare vibrationer kan vi formindske bølgelængder af infrarødt lys i størrelsesordener."

Ultraskarpe kanter er nødvendige for at excitere phonon-polaritoner - normalt bliver de lanceret fra siderne af flager af hBN, der er fremstillet via det, der er kendt som "Scotch tape"-metoden, hvor en bulkkrystal mekanisk skrælles i tyndere lag ved hjælp af husholdningstape. Holdet fandt dog ud af, at de laserskårne linjer giver endnu mere gunstige betingelser for at skabe kvasipartiklerne.

"Det er imponerende, hvordan de laserskårne hBN-områder lancerer phonon-polaritoner endnu mere effektivt end kanten, hvilket tyder på en ultra-smal udpakket hBN-region, der interagerer stærkt med infrarødt lys," sagde Moore.

Da den nye teknik kan skabe nanostrukturer hvor som helst på en prøve, pakkede de også to linjer ud parallelt. Dette skaber et lille hulrum, der kan begrænse fonon-polaritonerne på plads, hvilket øger deres nano-optiske følsomhed. Holdet fandt ud af, at deres oplukkede hulrum havde sammenlignelig ydeevne til at fange kvasipartiklerne som konventionelle hulrum skabt i rene rum.

"Vores resultater tyder på, at vores foreløbige strukturer kan konkurrere med dem, der er skabt ud fra mere etablerede metoder," bemærkede Chen.

Undslippe fra det rene rum

Teknikken kan skabe mange tilpasselige nanomønstre. Ud over hulrum med to linjer kan den skabe et hvilket som helst antal parallelle linjer. Hvis sådanne arrays kan produceres on-demand med alle ønskede mellemrum, kunne det i høj grad forbedre phonon-polaritons billeddannelsesevne og ville være en kæmpe præstation, sagde Moore.

En pause kan forlænges så længe som ønsket, når først den er startet, og prøver så tykke som 80 nanometer og så tynde som 24 nanometer er blevet pakket ud – teoretisk set kunne grænsen være meget lavere.

Dette giver forskerne masser af muligheder for at modificere hBN og udforske, hvordan dets nanomønster kan påvirke dets resulterende egenskaber, uden at skulle opruste i en renrums-kanindragt. "Det afhænger virkelig bare af dit ultimative mål," sagde Chen.

Når det er sagt, ser hun stadig masser af plads til at forbedre sig. Fordi hBN er en serie af gentagne sekskanter, producerer teknikken kun lige eller vinklede linjer, der mødes ved enten 60° eller 120° i øjeblikket, selvom Chen mener, at det burde være muligt at kombinere dem til trekanter.

I øjeblikket kan pauserne også kun forekomme i flyet; hvis de kan bestemme, hvordan man målretter mod vibrationer uden for planet, kan de potentielt barbere en bulkkrystal ned i forskellige tredimensionelle former. De er også begrænset af kraften i deres lasere, som de brugte år på at omhyggeligt tune til at arbejde stabilt ved de ønskede bølgelængder. Mens deres mid-IR-opsætning er velegnet til at modificere hBN, ville der være behov for forskellige lasere for at modificere materialer med forskellige resonanser.

Uanset hvad er Chen begejstret for holdets koncept, og hvad det måske kan gøre i fremtiden. Som medlem af undergruppen for ultrahurtige lasere i Gaeta Lab hjalp Chen med deres overgang fra at skabe og studere kraftige lasere til at bruge dem som værktøjer til at undersøge de optiske egenskaber af 2D-materialer.

Det problem delte ligheder med andre problemer, Chen tackler i sin tid uden for laboratoriet som en klippeklatring, en form for klatring, hvor klatrere klatrer op ad lave, robuste klippeflader uden seleudstyr for at fange dem, hvis de falder.

"I bouldering kaldes de potentielle klatreruter problemer, og der er ikke noget rigtigt svar på at løse dem," sagde hun. De bedste løsninger kan ikke blive brutalt tvunget, fortsatte hun, "Du er nødt til at komme med en plan, ellers vil du ikke få succes, uanset om du finder ud af, hvordan man udnytter makroskopiske træk i en kampesten eller mikroskopiske i en lille krystal."

Flere oplysninger: Cecilia Y. Chen et al., Unzipping hBN with ultrashort mid-infrared pulses, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3653

Journaloplysninger: Nature Communications , Videnskabelige fremskridt

Leveret af Columbia University School of Engineering and Applied Science