Вчені оголосили про відкриття двовимірних хвилеводів

Дослідницька лабораторія Військово-морських сил США (NRL), яка працює разом з Університетом штату Канзас, оголосила про відкриття пластинчастих хвилеводів, виготовлених із двовимірного матеріалу гексагонального нітриду бору. Ця віха була задокументована в журналі Advanced Materials.

Двовимірні (2D) матеріали — це клас матеріалів, які можна зменшити до межі моношару шляхом механічного відшаровування шарів. Слабке міжшарове тяжіння, або тяжіння Ван-дер-Ваальса, дозволяє розділяти шари за допомогою так званого методу «скотч». Найвідоміший двовимірний матеріал, графен, є напівметалевим матеріалом, що складається з одного шару атомів вуглецю. Нещодавно інші 2D-матеріали, включаючи напівпровідникові дихалькогеніди перехідних металів (TMD) та ізоляційний гексагональний нітрид бору (hBN), також привернули увагу. При зменшенні близько межі моношару 2D-матеріали мають унікальні нанорозмірні властивості, які привабливі для створення атомно тонких електронних і оптичних пристроїв.

Несподівані оптичні властивості

«Ми знали, що використання гексагонального нітриду бору призведе до надзвичайних оптичних властивостей у наших зразках, ніхто з нас не очікував, що він також діятиме як хвилевід», — сказав Семюель Лагасс, доктор філософії, відділ нових матеріалів і застосувань. «Оскільки hBN так широко використовується у 2D-пристроях на основі матеріалів, це нове використання як оптичного хвилеводу потенційно має широкий вплив».

Моношари графену та TMD надзвичайно чутливі до навколишнього середовища. Тому дослідники прагнули захистити ці матеріали шляхом інкапсуляції їх у пасивуючий шар. Тут на допомогу приходить hBN: шари hBN здатні «екранувати» домішки поблизу шарів графену або TMD, що забезпечує фантастичні властивості. У нещодавній роботі під керівництвом NRL товщина hBN, що оточує світловипромінюючий шар TMD, була ретельно налаштована для підтримки режимів оптичного хвилеводу.

Досягнення хвилеводної технології

Дослідники з NRL ретельно зібрали пакети двовимірних матеріалів, відомих як «гетероструктури Ван-дер-Ваальса». Ці гетероструктури можуть мати спеціальні властивості завдяки шаруванню. Плити hBN були розміщені навколо окремих шарів TMD, таких як диселенід молібдену або диселенід вольфраму, які можуть випромінювати світло у видимому та ближньому інфрачервоному діапазонах. Плити hBN були ретельно налаштовані за товщиною, щоб випромінюване світло захоплювалося всередині hBN і направлялося хвилеводом. Коли світло хвилеводів до краю hBN, воно може розсіюватися і бути виявлено мікроскопом.

Дослідження було мотивовано проблемами оптичних вимірювань 2D TMD. Коли лазерне світло фокусується на TMD, утворюються частинки, відомі як екситони. Більшість екситонів випромінюють світло з площини TMD, однак у деяких TMD існує невловимий тип екситона, відомий як «темний» екситон, який випромінює в площині TMD. Пластові хвилеводи NRL вловлюють світло від темних екситонів, забезпечуючи спосіб їхнього оптичного дослідження.

«2D-матеріали мають екзотичні оптоелектронні властивості, які будуть корисні для ВМС», — сказав Лагасс. «Велика проблема полягає в тому, щоб поєднати ці матеріали з існуючими платформами, не пошкодивши їх — ці хвилеводи з нітриду бору є кроком до цієї реалізації».

Дослідники NRL використовували два спеціальні типи оптичних мікроскопів для характеристики хвилеводів hBN. Одна установка дозволяє дослідникам спектроскопічно розрізняти фотолюмінесценцію, що випромінюється з різних точок хвилеводу. Інша установка дозволяє спостерігати за кутовим розподілом випромінюваного світла.

Дослідники NRL також розробили тривимірні електромагнітні моделі хвилеводів. Результати моделювання забезпечують набір інструментів для проєктування майбутніх 2D-пристроїв, які використовують пластинчасті хвилеводи.