U.S. Naval Research Laboratory (NRL), i samarbete med Kansas State University, har upptäckt skivvågledare baserade på det tvådimensionella materialet hexagonal bornitrid. Denna milstolpe har rapporterats i tidskriften Advanced Materials .
Tvådimensionella (2D) material är en klass av material som kan reduceras till monolagergränsen genom att mekaniskt dra isär lagren. De svaga mellanskiktsattraktionerna (van der Waals attraktion) gör att skikten kan separeras via den så kallade "scotch tape"-metoden.
Det mest välkända 2D-materialet, grafen, är ett semimetalliskt material som består av ett enda lager av kolatomer. Nyligen har andra 2D-material inklusive halvledande övergångsmetalldikalkogenider (TMD) och isolerande hexagonal bornitrid (hBN) också fått uppmärksamhet. När de reduceras nära monolagergränsen har 2D-material unika egenskaper i nanoskala som är tilltalande för att skapa atomärt tunna elektroniska och optiska enheter.
"Vi visste att användning av hexagonal bornitrid skulle leda till enastående optiska egenskaper i våra prover; ingen av oss förväntade oss att det också skulle fungera som en vågledare", säger Samuel Lagasse, Ph.D., Novel Materials and Applications Division. "Eftersom hBN används så flitigt i 2D-materialbaserade enheter, har denna nya användning som optisk vågledare potentiellt omfattande effekter."
Grafen och TMD monolager är båda extremt känsliga för den omgivande miljön. Därför har forskare försökt skydda dessa material genom att kapsla in dem i ett passiverande skikt. Det är här hBN kommer in:lager av hBN kan "screena" föroreningar nära grafen- eller TMD-lager, vilket leder till fantastiska egenskaper. I nyare NRL-ledda arbeten har tjockleken på hBN som omger ett ljusemitterande TMD-skikt justerats noggrant för att stödja optiska vågledarlägen.
Forskare vid NRL satte noggrant ihop staplar av 2D-material som kallas "van der Waals heterostrukturer." Dessa heterostrukturer kan ha specialiserade egenskaper på grund av skiktningen. Plattor av hBN placerades runt enstaka lager av TMD, såsom molybdendiselenid eller volframdiselenid, som kan avge ljus i det synliga och nära-infraröda.
Skivorna av hBN avstämdes noggrant i tjocklek så att det emitterade ljuset skulle fångas in i hBN och vågledas. När ljusvågledaren leder till kanten av hBN kan den spridas ut och detekteras av ett mikroskop.
Forskningen motiverades av utmaningarna med optiska mätningar av 2D TMD. När laserljus fokuseras på TMD genereras partiklar som kallas excitoner. De flesta excitoner avger ljus från TMD-planet; emellertid finns en svårfångad typ av exciton känd som en mörk exciton i vissa TMD, och avger i TMD-planet. NRL:s platta vågledare fångar ljuset från de mörka excitonerna, vilket ger ett sätt att studera dem optiskt.
"2D-material har exotiska optoelektroniska egenskaper som kommer att vara användbara för marinen," sa Lagasse. "En stor utmaning är att koppla dessa material till befintliga plattformar utan att skada dem - dessa bornitridvågledare är ett steg mot den insikten."
NRL-forskare använde två speciella typer av optiska mikroskop för att karakterisera hBN-vågledarna. En uppsättning gör det möjligt för forskare att spektroskopiskt lösa fotoluminescens som emitteras från olika fläckar av vågledaren. Den andra inställningen låter dem observera vinkelfördelningen av det utsända ljuset.
NRL-forskarna utvecklade också elektromagnetiska 3D-modeller av vågledarna. Modelleringsresultaten ger en verktygssats för att designa framtida 2D-enheter som använder plattvågledare.
Mer information: Samuel W. LaGasse et al, Hexagonal Boron Nitride Slab Waveguides for Enhanced Spectroscopy of Incapsulated 2D Materials, Advanced Materials (2023). DOI:10.1002/adma.202309777
Tillhandahålls av Naval Research Laboratory
