Forskerhold opdager todimensionelle bølgeledere

U.S. Naval Research Laboratory (NRL) har i samarbejde med Kansas State University opdaget pladebølgeledere baseret på det todimensionelle materiale hexagonal bornitrid. Denne milepæl er blevet rapporteret i tidsskriftet Advanced Materials .

Todimensionelle (2D) materialer er en klasse af materialer, der kan reduceres til monolaggrænsen ved mekanisk at pille lagene fra hinanden. De svage mellemlagsatraktioner (van der Waals-attraktion) gør det muligt at adskille lagene via den såkaldte "Scotch tape"-metode.

Det mest kendte 2D-materiale, grafen, er et semimetallisk materiale, der består af et enkelt lag af kulstofatomer. For nylig har andre 2D-materialer, herunder halvledende overgangsmetal-dichalcogenider (TMD'er) og isolerende hexagonal bornitrid (hBN), også fået opmærksomhed. Når de reduceres nær monolaggrænsen, har 2D-materialer unikke egenskaber i nanoskala, der er tiltalende til at skabe atomisk tynde elektroniske og optiske enheder.

"Vi vidste, at brug af hexagonal bornitrid ville føre til fremragende optiske egenskaber i vores prøver; ingen af ​​os forventede, at det også ville fungere som en bølgeleder," sagde Samuel Lagasse, Ph.D., Division for nye materialer og applikationer. "Da hBN bruges så vidt i 2D-materialebaserede enheder, har denne nye brug som optisk bølgeleder potentielt vidtrækkende virkninger."

Grafen og TMD monolag er begge ekstremt følsomme over for det omgivende miljø. Derfor har forskere søgt at beskytte disse materialer ved at indkapsle dem i et passiverende lag. Det er her hBN kommer ind:lag af hBN er i stand til at "screene" urenheder nær grafen- eller TMD-lag, hvilket fører til fantastiske egenskaber. I nyligt NRL-ledet arbejde blev tykkelsen af ​​hBN omkring et lysemitterende TMD-lag omhyggeligt justeret for at understøtte optiske bølgeledertilstande.

Forskere ved NRL samlede omhyggeligt stakke af 2D-materialer kendt som "van der Waals heterostrukturer." Disse heterostrukturer kan have specialiserede egenskaber på grund af lagdelingen. Plader af hBN blev placeret omkring enkelte lag af TMD'er, såsom molybdændiselenid eller wolframdiselenid, som kan udsende lys i det synlige og nær-infrarøde.

Pladerne af hBN blev omhyggeligt indstillet i tykkelse, så det udsendte lys ville blive fanget i hBN og bølgeledet. Når lysbølgelederne leder til kanten af ​​hBN, kan det spredes ud og detekteres af et mikroskop.

Forskningen var motiveret af udfordringerne ved optiske målinger af 2D TMD'er. Når laserlys fokuseres på TMD'er, dannes partikler kendt som excitoner. De fleste excitoner udsender lys ud af TMD-planet; dog findes en undvigende type exciton kendt som en mørk exciton i nogle TMD'er og udsender i TMD'ens plan. NRL's pladebølgeledere fanger lyset fra de mørke excitoner, hvilket giver en måde at studere dem optisk på.

"2D-materialer har eksotiske optoelektroniske egenskaber, som vil være nyttige for flåden," sagde Lagasse. "En stor udfordring er at forbinde disse materialer med eksisterende platforme uden at beskadige dem - disse bornitrid-bølgeledere er et skridt hen imod denne erkendelse."

NRL-forskere brugte to specielle typer optiske mikroskoper til at karakterisere hBN-bølgelederne. En opsætning giver forskere mulighed for spektroskopisk at opløse fotoluminescens, der udsendes fra forskellige pletter af bølgelederen. Den anden opsætning lader dem observere vinkelfordelingen af ​​det udsendte lys.

NRL-forskerne udviklede også 3D elektromagnetiske modeller af bølgelederne. Modelleringsresultaterne giver et værktøjssæt til at designe fremtidige 2D-enheder, der bruger pladebølgeledere.

Flere oplysninger: Samuel W. LaGasse et al., Hexagonal Boron Nitride Slab Waveguides for Enhanced Spectroscopy of Encapsulated 2D Materials, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202309777

Leveret af Naval Research Laboratory