I en ny artikel publicerad den 1 maj i tidskriften Science Advances , använde forskare vid Columbia Engineering kommersiellt tillgängliga bordslasrar för att skapa små, atomärt vassa nanostrukturer, eller nanomönster, i prover av ett skiktat 2D-material som kallas hexagonal bornitrid (hBN).
Medan de undersökte potentiella tillämpningar av deras nanomönstrade strukturer med kollegor på fysikavdelningen fann teamet att deras laserskurna hBN-prover effektivt kunde skapa och fånga kvasipartiklar som kallas fononpolaritoner, som uppstår när atomvibrationer i ett material kombineras med fotoner av ljus.
"Nanomönster är en viktig komponent i materialutveckling", förklarade ingenjörsdoktorn. elev Cecilia Chen, som ledde utvecklingen av tekniken.
"Om du vill förvandla ett coolt material med intressanta egenskaper till något som kan utföra specifika funktioner behöver du ett sätt att modifiera och kontrollera det."
Den nya nanomönstertekniken, utvecklad i professor Alexander Gaetas labb, är ett enkelt sätt att modifiera material med ljus – och det innebär inte ett dyrt och resurskrävande renrum.
Det finns flera väletablerade tekniker för att modifiera material och skapa önskade nanomönster, men de tenderar att kräva omfattande utbildning och dyra omkostnader. Elektronstrålelitografimaskiner måste till exempel inrymmas i noggrant kontrollerade rena rum, medan befintliga laseralternativ involverar hög värme och plasma som lätt kan skada prover; storleken på själva lasern begränsar också storleken på de mönster som kan skapas.
Gaeta-labbets teknik drar fördel av det som är känt inom optik- och fotonikgemenskapen som "optisk körning". Alla material vibrerar vid en viss resonans. Chen och hennes kollegor kan förstärka dessa vibrationer genom att ställa in sina lasrar till den frekvensen – motsvarande en våglängd på 7,3 mikrometer, i fallet med hBN – vilket de först visade i forskning som publicerades i november förra året i Nature Communications .
I det nyligen publicerade arbetet pressade de hBN till ännu mer intensiva vibrationer, men snarare än att skada den underliggande atomstrukturen, bröt lasrarna isär kristallgittret rent. Enligt Chen var effekten synlig under mikroskopet och såg ut som att öppna en dragkedja.
De resulterande linjerna över provet var atomärt skarpa och mycket mindre - bara några nanometer - än de medelinfraröda laservåglängderna som användes för att skapa dem. "Vanligtvis behöver du en kortare våglängd för att göra ett mindre mönster," sa Chen. "Här kan vi skapa mycket skarpa nanostrukturer med mycket långa våglängder. Det är ett paradoxalt fenomen."
För att utforska vad de kunde göra med sina nanomönstrade prover, samarbetade ingenjörsteamet med fysikern Dmitri Basovs labb, som är specialiserat på att skapa och kontrollera nanooptiska effekter i olika 2D-material – inklusive att skapa fononpolaritoner i hBN.
Dessa vibrerande kvasipartiklar kan hjälpa forskare att "se" bortom diffraktionsgränsen för konventionella mikroskop och upptäcka egenskaper i materialet som ger upphov till kvantfenomen. De kan också vara en nyckelkomponent för att miniatyrisera optiska enheter, eftersom elektroniken har blivit mindre med åren.
"Det moderna samhället är baserat på miniatyrisering, men det har varit mycket svårare att krympa enheter som är beroende av ljus än elektroner," förklarade Ph.D. student och medförfattare Samuel Moore. "Genom att utnyttja starka hBN-atomvibrationer kan vi krympa våglängder för infrarött ljus i storleksordningar."
Ultraskarpa kanter behövs för att excitera fononpolaritoner - normalt skickas de från sidorna av flingor av hBN som framställts med vad som är känt som "Scotch tape"-metoden, där en bulkkristall mekaniskt skalas till tunnare lager med hjälp av hushållstejp. Teamet fann dock att de laserskurna linjerna erbjuder ännu gynnsammare förutsättningar för att skapa kvasipartiklarna.
"Det är imponerande hur de laserskurna hBN-områdena lanserar fononpolaritoner ännu mer effektivt än kanten, vilket tyder på en ultrasmal uppackad hBN-region som starkt interagerar med infrarött ljus", säger Moore.
Eftersom den nya tekniken kan skapa nanostrukturer var som helst på ett prov, packade de också upp två linjer parallellt. Detta skapar ett litet hålrum som kan begränsa fononpolaritonerna på plats, vilket ökar deras nanooptiska känslighet. Teamet fann att deras upplåsta kaviteter hade jämförbar prestanda när det gäller att fånga kvasipartiklarna som konventionella kaviteter skapade i rena rum.
"Våra resultat tyder på att våra preliminära strukturer kan konkurrera med de som skapats från mer etablerade metoder", konstaterade Chen.
Tekniken kan skapa många anpassningsbara nanomönster. Bortom två-linjers kaviteter kan den skapa valfritt antal parallella linjer. Om sådana arrayer kan produceras på begäran med alla önskade avstånd, kan det avsevärt förbättra fonon-polaritoners avbildningsförmåga och skulle vara en enorm prestation, sa Moore.
En paus kan förlängas så länge som önskas när den väl har startat, och prover så tjocka som 80 nanometer och så tunna som 24 nanometer har packats upp – teoretiskt sett kan gränsen vara mycket lägre.
Detta ger forskare massor av alternativ att modifiera hBN och utforska hur dess nanomönster kan påverka dess resulterande egenskaper, utan att behöva växla upp i en kaninkostym för rent rum. "Det beror egentligen bara på ditt slutmål", sa Chen.
Som sagt, hon ser fortfarande gott om utrymme att förbättra. Eftersom hBN är en serie upprepade hexagoner, producerar tekniken bara raka eller vinklade linjer som möts i antingen 60° eller 120° för tillfället, även om Chen tycker att det borde vara möjligt att kombinera dem till trianglar.
För närvarande kan avbrotten bara ske i planet också; om de kan bestämma hur man riktar sig mot vibrationer utanför planet, kan de potentiellt raka ner en bulkkristall till olika tredimensionella former. De är också begränsade av kraften i sina lasrar, som de ägnat år åt att noggrant trimma för att fungera stabilt vid önskade våglängder. Även om deras mid-IR-inställning är väl lämpad för att modifiera hBN, skulle olika lasrar behövas för att modifiera material med olika resonanser.
Oavsett vilket är Chen exalterad över lagets koncept och vad det kan göra i framtiden. Som medlem i undergruppen för ultrasnabblaser i Gaeta Lab, hjälpte Chen till med deras övergång från att skapa och studera kraftfulla lasrar till att använda dem som verktyg för att undersöka de optiska egenskaperna hos 2D-material.
Det problemet delade likheter med andra problem som Chen tar itu med under sin tid utanför labbet som boulderer, en form av bergsklättring där klättrare klättrar upp låga, robusta klippväggar utan seleutrustning för att fånga dem om de faller.
"Inom bouldering kallas de potentiella klättringsvägarna problem, och det finns inget rätt svar för att lösa dem", sa hon. De bästa lösningarna kan inte vara brutalt tvingade, fortsatte hon, "Du måste komma med en plan annars kommer du inte att lyckas, oavsett om du tar reda på hur man utnyttjar makroskopiska egenskaper i en sten eller mikroskopiska i en liten kristall."
Mer information: Cecilia Y. Chen et al, Unzipping hBN with ultrashort mid-infrared pulses, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3653
Journalinformation: Nature Communications , Vetenskapens framsteg
Tillhandahålls av Columbia University School of Engineering and Applied Science
