Equipe de pesquisa descobre guias de ondas bidimensionais
Imagem de fotoluminescência em espaço real (esquerda) e espaço de Fourier (direita) de um guia de onda hexagonal de nitreto de boro. A imagem do espaço real mostra onde a fotoluminescência é emitida dentro da amostra, enquanto a imagem do espaço de Fourier mostra o ângulo da luz emitida. Imagem tirada por Nicholas Proscia em abril de 2023. Crédito:Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA/Nicholas Proscia O Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL), em colaboração com a Kansas State University, descobriu guias de onda em placas baseados no material bidimensional nitreto de boro hexagonal. Este marco foi relatado na revista Advanced Materials .
Materiais bidimensionais (2D) são uma classe de materiais que podem ser reduzidos ao limite da monocamada, separando mecanicamente as camadas. As atrações fracas entre camadas (atração de van der Waals) permitem que as camadas sejam separadas através do chamado método de "fita adesiva".
O material 2D mais conhecido, o grafeno, é um material semimetálico que consiste em uma única camada de átomos de carbono. Recentemente, outros materiais 2D, incluindo dichalcogenetos de metais de transição semicondutores (TMDs) e nitreto de boro hexagonal isolante (hBN), também chamaram a atenção. Quando reduzidos perto do limite da monocamada, os materiais 2D têm propriedades únicas em nanoescala que são atraentes para a criação de dispositivos eletrônicos e ópticos atomicamente finos.
"Sabíamos que o uso de nitreto de boro hexagonal levaria a excelentes propriedades ópticas em nossas amostras; nenhum de nós esperava que ele também atuasse como guia de ondas", disse Samuel Lagasse, Ph.D., Divisão de Novos Materiais e Aplicações. "Como o hBN é amplamente utilizado em dispositivos baseados em materiais 2D, esse novo uso como guia de ondas óptico tem potencialmente impactos abrangentes."
As monocamadas de grafeno e TMD são extremamente sensíveis ao ambiente circundante. Portanto, os pesquisadores têm procurado proteger esses materiais encapsulando-os em uma camada passivadora. É aqui que entra o hBN:camadas de hBN são capazes de “filtrar” impurezas próximas às camadas de grafeno ou TMD, levando a propriedades fantásticas. Em um trabalho recente conduzido pelo NRL, a espessura do hBN ao redor de uma camada TMD emissora de luz foi cuidadosamente ajustada para suportar os modos de guia de ondas óptico.
Pesquisadores do NRL montaram cuidadosamente pilhas de materiais 2D conhecidas como “heteroestruturas de van der Waals”. Essas heteroestruturas podem ter propriedades especializadas devido às camadas. Lajes de hBN foram colocadas em torno de camadas únicas de TMDs, como disseleneto de molibdênio ou disseleneto de tungstênio, que podem emitir luz no visível e no infravermelho próximo.
As placas de hBN foram cuidadosamente ajustadas em espessura para que a luz emitida ficasse presa dentro do hBN e fosse guiada por ondas. Quando a luz guia de onda atinge a borda do hBN, ela pode se espalhar e ser detectada por um microscópio.
A pesquisa foi motivada pelos desafios das medições ópticas de DTMs 2D. Quando a luz do laser é focada nas DTMs, são geradas partículas conhecidas como excitons. A maioria dos excitons emite luz fora do plano do TMD; entretanto, um tipo indescritível de exciton conhecido como exciton escuro existe em algumas DTMs e é emitido no plano da DTM. Os guias de onda em placa do NRL capturam a luz dos excitons escuros, fornecendo uma maneira de estudá-los opticamente. Imagem de microscópio confocal de fotoluminescência guiada por onda em guia de onda hexagonal de nitreto de boro. O padrão de lóbulo nas bordas lembra uma carpa circulando em um lago. Imagem tirada por Samuel LaGasse em abril de 2023. Crédito:Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA/Samuel LaGasse “Os materiais 2D possuem propriedades optoeletrônicas exóticas que serão úteis para a Marinha”, disse Lagasse. "Um grande desafio é fazer a interface desses materiais com as plataformas existentes sem danificá-los - esses guias de onda de nitreto de boro são um passo nessa direção."
Os pesquisadores do NRL usaram dois tipos especiais de microscópios ópticos para caracterizar os guias de onda hBN. Uma configuração permite que os pesquisadores resolvam espectroscopicamente a emissão de fotoluminescência de diferentes pontos do guia de ondas. A outra configuração permite observar a distribuição angular da luz emitida.
Os pesquisadores do NRL também desenvolveram modelos eletromagnéticos 3D dos guias de ondas. Os resultados da modelagem fornecem um kit de ferramentas para projetar futuros dispositivos 2D que utilizam guias de onda em placas.
Mais informações: Samuel W. LaGasse et al, Guias de onda hexagonais de laje de nitreto de boro para espectroscopia aprimorada de materiais 2D encapsulados, Materiais avançados (2023). DOI:10.1002/adma.202309777 Fornecido pelo Laboratório de Pesquisa Naval
