Pesquisadores descompactam materiais 2D com lasers

A “descompactação” ocorre somente quando o hBN é fortemente acionado em sua ressonância de fônons TO e produz defeitos de linha livres de ablação. Crédito:Avanços da Ciência (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3653

Em um novo artigo publicado em 1º de maio na revista Science Advances , pesquisadores da Columbia Engineering usaram lasers de mesa disponíveis comercialmente para criar nanoestruturas minúsculas e atomicamente nítidas, ou nanopadrões, em amostras de um material 2D em camadas chamado nitreto de boro hexagonal (hBN).

Ao explorar aplicações potenciais de suas estruturas nanopadronizadas com colegas do Departamento de Física, a equipe descobriu que suas amostras de hBN cortadas a laser poderiam efetivamente criar e capturar quasipartículas chamadas fônon-polaritons, que ocorrem quando vibrações atômicas em um material se combinam com fótons de luz.

"A nanopadronização é um componente importante do desenvolvimento de materiais", explicou o Ph.D. em engenharia. aluna Cecilia Chen, que liderou o desenvolvimento da técnica.

"Se você deseja transformar um material interessante com propriedades interessantes em algo que possa executar funções específicas, você precisa de uma maneira de modificá-lo e controlá-lo."

A nova técnica de nanopadronização, desenvolvida no laboratório do professor Alexander Gaeta, é uma maneira simples de modificar materiais com luz – e não envolve uma sala limpa cara e que consome muitos recursos.

Um paradoxo em nanoescala

Existem várias técnicas bem estabelecidas para modificar materiais e criar nanopadrões desejados, mas elas tendem a exigir treinamento extensivo e despesas caras. As máquinas de litografia por feixe de elétrons, por exemplo, devem ser alojadas em salas limpas cuidadosamente controladas, enquanto as opções de laser existentes envolvem alto calor e plasmas que podem facilmente danificar as amostras; o tamanho do próprio laser também limita o tamanho dos padrões que podem ser criados.

A técnica do laboratório Gaeta aproveita o que é conhecido na comunidade óptica e fotônica como “condução óptica”. Todos os materiais vibram com uma ressonância particular. Chen e seus colegas podem aumentar essas vibrações ajustando seus lasers para essa frequência – correspondente a um comprimento de onda de 7,3 micrômetros, no caso do hBN – o que eles demonstraram pela primeira vez em uma pesquisa publicada em novembro passado na Nature Communications. .

No trabalho recém-publicado, eles levaram o hBN a vibrações ainda mais intensas, mas em vez de danificar a estrutura atômica subjacente, os lasers quebraram a rede cristalina de forma limpa. De acordo com Chen, o efeito era visível ao microscópio e parecia abrir o zíper de um zíper.

As linhas resultantes na amostra eram atomicamente nítidas e muito menores – apenas alguns nanômetros – do que os comprimentos de onda do laser infravermelho médio usados para criá-las. “Normalmente, você precisa de um comprimento de onda mais curto para criar um padrão menor”, disse Chen. "Aqui, podemos criar nanoestruturas muito nítidas usando comprimentos de onda muito longos. É um fenômeno paradoxal."

Pequenas estruturas, grande física

Para explorar o que poderiam fazer com suas amostras nanopadronizadas, a equipe de engenharia se uniu ao laboratório do físico Dmitri Basov, especializado na criação e controle de efeitos nano-ópticos em diferentes materiais 2D – incluindo a criação de fônon-polaritons em hBN.

Essas quasipartículas vibrantes podem ajudar os cientistas a “ver” além do limite de difração dos microscópios convencionais e detectar características no material que dão origem a fenômenos quânticos. Eles também poderiam ser um componente-chave para a miniaturização de dispositivos ópticos, à medida que os eletrônicos se tornaram menores ao longo dos anos.

“A sociedade moderna é baseada na miniaturização, mas tem sido muito mais difícil encolher dispositivos que dependem da luz do que dos elétrons”, explicou o Ph.D. aluno e co-autor Samuel Moore. "Ao aproveitar as fortes vibrações atômicas do hBN, podemos reduzir os comprimentos de onda da luz infravermelha em ordens de magnitude."

Bordas ultraafiadas são necessárias para excitar fônon-polaritons - normalmente, elas são lançadas das laterais de flocos de hBN preparados por meio do método conhecido como "fita adesiva", no qual um cristal a granel é mecanicamente descascado em camadas mais finas usando fita adesiva doméstica. No entanto, a equipe descobriu que as linhas cortadas a laser oferecem condições ainda mais favoráveis para a criação das quasipartículas.

"É impressionante como as regiões hBN cortadas a laser lançam polaritons de fônons ainda mais eficientemente do que a borda, sugerindo uma região hBN descompactada ultraestreita que interage fortemente com a luz infravermelha", disse Moore.

Como a nova técnica pode criar nanoestruturas em qualquer lugar da amostra, eles também descompactaram duas linhas em paralelo. Isso cria uma pequena cavidade que pode confinar os fônons-polaritons no lugar, o que aumenta sua sensibilidade nano-óptica. A equipe descobriu que suas cavidades descompactadas tinham desempenho comparável na captura de quasipartículas às cavidades convencionais criadas em salas limpas.

“Nossos resultados sugerem que nossas estruturas preliminares podem competir com aquelas criadas a partir de métodos mais estabelecidos”, observou Chen.

Escapando da sala limpa

A técnica pode criar muitos nanopadrões personalizáveis. Além das cavidades de duas linhas, pode criar qualquer número de linhas paralelas. Se tais matrizes puderem ser produzidas sob demanda com quaisquer espaçamentos desejados, isso poderia melhorar muito a capacidade de imagem dos fônon-polaritons e seria uma grande conquista, disse Moore.

Uma pausa pode ser estendida pelo tempo desejado, uma vez iniciada, e amostras tão espessas quanto 80 nanômetros e tão finas quanto 24 nanômetros foram descompactadas – teoricamente, o limite poderia ser muito menor.

Isso dá aos pesquisadores muitas opções para modificar o hBN e explorar como sua nanopadronização pode influenciar suas propriedades resultantes, sem a necessidade de vestir uma roupa de coelho de sala limpa. “Na verdade, depende apenas do seu objetivo final”, disse Chen.

Dito isto, ela ainda vê muito espaço para melhorar. Como hBN é uma série de hexágonos repetidos, a técnica produz apenas linhas retas ou angulares que se encontram em 60° ou 120° no momento, embora Chen pense que combiná-las em triângulos deveria ser possível.

Atualmente, as quebras também podem ocorrer no plano; se puderem determinar como direcionar as vibrações fora do plano, poderão potencialmente transformar um cristal volumoso em diferentes formas tridimensionais. Eles também são limitados pela potência de seus lasers, que passaram anos ajustando cuidadosamente para funcionar de forma estável nos comprimentos de onda desejados. Embora sua configuração de infravermelho médio seja adequada para modificar o hBN, seriam necessários lasers diferentes para modificar materiais com ressonâncias diferentes.

Independentemente disso, Chen está entusiasmado com o conceito da equipe e com o que ela poderá fazer no futuro. Como membro do subgrupo de laser ultrarrápido do Laboratório Gaeta, Chen ajudou na transição da criação e estudo de lasers de alta potência para o uso deles como ferramentas para sondar as propriedades ópticas de materiais 2D.

Esse problema tinha semelhanças com outros problemas que Chen aborda em seu tempo fora do laboratório como pedregulho, uma forma de escalada em que os alpinistas escalam faces rochosas baixas e acidentadas sem equipamento de arnês para pegá-los caso caiam.

“No boulder, as possíveis rotas de escalada são chamadas de problemas e não há uma resposta certa para resolvê-los”, disse ela. As melhores soluções não podem ser forçadas, ela continuou:“Você tem que elaborar um plano ou não terá sucesso, seja descobrindo como explorar características macroscópicas em uma rocha ou microscópicas em um pequeno cristal”.

Mais informações: Cecilia Y. Chen et al, Unzipping hBN with ultrashort mid-infrared pulses, Science Advances (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3653
Informações do diário: Comunicações da Natureza , Avanços da ciência

Fornecido pela Escola de Engenharia e Ciências Aplicadas da Universidade de Columbia

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