In een nieuw artikel gepubliceerd op 1 mei in het tijdschrift Science Advances hebben onderzoekers van Columbia Engineering in de handel verkrijgbare tafelbladlasers gebruikt om kleine, atomair scherpe nanostructuren of nanopatronen te creëren in monsters van een gelaagd 2D-materiaal dat hexagonaal boornitride (hBN) wordt genoemd.

Tijdens het onderzoeken van mogelijke toepassingen van hun structuren met nanopatronen met collega's van de afdeling Natuurkunde, ontdekte het team dat hun lasergesneden hBN-monsters effectief quasideeltjes konden creëren en vangen, genaamd fonon-polaritonen, die optreden wanneer atomaire trillingen in een materiaal worden gecombineerd met fotonen van licht.

"Nanopatronen vormen een belangrijk onderdeel van de materiaalontwikkeling", legt Engineering Ph.D. student Cecilia Chen, die leiding gaf aan de ontwikkeling van de techniek.

"Als je van een cool materiaal met interessante eigenschappen iets wilt maken dat specifieke functies kan vervullen, heb je een manier nodig om het aan te passen en te controleren."

De nieuwe nanopatroontechniek, ontwikkeld in het laboratorium van professor Alexander Gaeta, is een eenvoudige manier om materialen met licht te modificeren – en er is geen dure en hulpbronnenintensieve cleanroom voor nodig.

Een paradox op nanoschaal

Er bestaan ​​verschillende beproefde technieken om materialen te modificeren en gewenste nanopatronen te creëren, maar deze vereisen meestal uitgebreide training en dure overhead. Elektronenbundellithografiemachines moeten bijvoorbeeld worden ondergebracht in zorgvuldig gecontroleerde schone kamers, terwijl bestaande laseropties hoge temperaturen en plasma's met zich meebrengen die monsters gemakkelijk kunnen beschadigen; de grootte van de laser zelf beperkt ook de grootte van de patronen die kunnen worden gemaakt.

De techniek van het Gaeta-lab maakt gebruik van wat in de optica- en fotonicagemeenschap bekend staat als 'optisch rijden'. Alle materialen trillen op een bepaalde resonantie. Chen en haar collega's kunnen die trillingen versterken door hun lasers af te stemmen op die frequentie – wat overeenkomt met een golflengte van 7,3 micrometer, in het geval van hBN – wat ze voor het eerst hebben aangetoond in onderzoek dat afgelopen november werd gepubliceerd in Nature Communications .

In het onlangs gepubliceerde werk duwden ze hBN naar nog intensere trillingen, maar in plaats van de onderliggende atomaire structuur te beschadigen, braken de lasers het kristalrooster netjes uit elkaar. Volgens Chen was het effect zichtbaar onder de microscoop en leek het op het openritsen van een ritssluiting.

De resulterende lijnen door het monster waren atomair scherp en veel kleiner (slechts een paar nanometer) dan de midden-infrarode lasergolflengten die werden gebruikt om ze te creëren. "Gewoonlijk heb je een kortere golflengte nodig om een ​​kleiner patroon te maken", zei Chen. "Hier kunnen we zeer scherpe nanostructuren creëren met behulp van zeer lange golflengten. Het is een paradoxaal fenomeen."

Kleine structuren, grote natuurkunde

Om te onderzoeken wat ze konden doen met hun monsters met nanopatronen, werkte het technische team samen met het laboratorium van natuurkundige Dmitri Basov, dat gespecialiseerd is in het creëren en controleren van nano-optische effecten in verschillende 2D-materialen, waaronder het creëren van fonon-polaritonen in hBN.

Deze vibrerende quasideeltjes kunnen wetenschappers helpen verder te ‘zien’ dan de diffractielimiet van conventionele microscopen en kenmerken in het materiaal te detecteren die aanleiding geven tot kwantumverschijnselen. Ze zouden ook een sleutelcomponent kunnen zijn bij het miniaturiseren van optische apparaten, aangezien elektronica in de loop der jaren kleiner is geworden.

"De moderne samenleving is gebaseerd op miniaturisatie, maar het is veel moeilijker geweest om apparaten te verkleinen die afhankelijk zijn van licht dan van elektronen", legt Ph.D. student en co-auteur Samuel Moore. "Door sterke hBN-atoomtrillingen te benutten, kunnen we de golflengten van infrarood licht met ordes van grootte verkleinen."

Er zijn ultrascherpe randen nodig om fonon-polaritonen te exciteren - normaal gesproken worden ze gelanceerd vanaf de zijkanten van hBN-vlokken die zijn bereid via de zogenaamde "Scotch tape" -methode, waarbij een bulkkristal mechanisch in dunnere lagen wordt gepeld met behulp van huishoudtape. Het team ontdekte echter dat de lasergesneden lijnen nog gunstiger omstandigheden bieden voor het maken van de quasideeltjes.

"Het is indrukwekkend hoe de lasergesneden hBN-gebieden nog efficiënter fononpolaritonen lanceren dan de rand, wat duidt op een ultra-smalle, opengeritste hBN-regio die sterk interageert met infrarood licht", aldus Moore.

Omdat de nieuwe techniek overal op een monster nanostructuren kan creëren, hebben ze ook twee lijnen parallel opengeritst. Hierdoor ontstaat een kleine holte die de fonon-polaritonen op hun plaats kan houden, wat hun nano-optische gevoeligheid vergroot. Het team ontdekte dat hun opengeritste holtes vergelijkbare prestaties leverden bij het opvangen van de quasideeltjes als conventionele holtes die in cleanrooms werden gemaakt.

"Onze resultaten suggereren dat onze voorlopige structuren kunnen concurreren met structuren die op basis van meer gevestigde methoden zijn gemaakt", aldus Chen.

Ontsnappen uit de cleanroom

De techniek kan veel aanpasbare nanopatronen creëren. Naast holtes met twee lijnen kan het een willekeurig aantal parallelle lijnen creëren. Als dergelijke arrays op aanvraag kunnen worden geproduceerd met elke gewenste tussenruimte, zou dit de beeldvormingsmogelijkheden van fonon-polaritonen aanzienlijk kunnen verbeteren en zou dit een enorme prestatie zijn, aldus Moore.

Een pauze kan zo lang als gewenst worden verlengd zodra deze is gestart, en monsters zo dik als 80 nanometer en zo dun als 24 nanometer zijn uitgepakt. Theoretisch zou de grens veel lager kunnen zijn.

Dit geeft onderzoekers voldoende mogelijkheden om hBN aan te passen en te onderzoeken hoe de nanopatronen de daaruit voortvloeiende eigenschappen kunnen beïnvloeden, zonder dat ze zich hoeven aan te kleden in een cleanroom-konijnpak. "Het hangt eigenlijk gewoon af van je uiteindelijke doel", zei Chen.

Dat gezegd hebbende, ziet ze nog steeds veel ruimte voor verbetering. Omdat hBN een reeks zich herhalende zeshoeken is, produceert de techniek momenteel alleen rechte of schuine lijnen die elkaar onder een hoek van 60° of 120° ontmoeten, hoewel Chen denkt dat het mogelijk zou moeten zijn om ze tot driehoeken te combineren.

Momenteel kunnen de pauzes ook alleen in het vlak plaatsvinden; als ze kunnen bepalen hoe ze trillingen buiten het vlak kunnen aanpakken, kunnen ze mogelijk een bulkkristal in verschillende driedimensionale vormen scheren. Ze worden ook beperkt door de kracht van hun lasers, die ze jarenlang zorgvuldig hebben afgestemd om stabiel te werken op de gewenste golflengten. Hoewel hun mid-IR-opstelling zeer geschikt is voor het modificeren van hBN, zouden er verschillende lasers nodig zijn om materialen met verschillende resonanties te modificeren.

Hoe dan ook, Chen is enthousiast over het concept van het team en wat het in de toekomst zou kunnen doen. Als lid van de subgroep ultrasnelle lasers in het Gaeta Lab hielp Chen bij de overgang van het maken en bestuderen van krachtige lasers naar het gebruik ervan als hulpmiddelen om de optische eigenschappen van 2D-materialen te onderzoeken.

Dat probleem had overeenkomsten met andere problemen die Chen aanpakt in haar tijd buiten het laboratorium als boulderaar, een vorm van rotsklimmen waarbij klimmers lage, ruige rotswanden opklimmen zonder harnas om ze op te vangen als ze vallen.

"Bij boulderen worden de mogelijke klimroutes problemen genoemd, en er is geen goed antwoord om ze op te lossen", zei ze. De beste oplossingen kunnen niet bruut geforceerd worden, vervolgde ze. "Je moet met een plan komen, anders zul je niet succesvol zijn, of je nu uitzoekt hoe je macroscopische kenmerken in een rotsblok kunt exploiteren of microscopische kenmerken in een klein kristal."

Meer informatie: Cecilia Y. Chen et al, HBN uitpakken met ultrakorte midden-infraroodpulsen, Wetenschappelijke vooruitgang (2024). DOI:10.1126/sciadv.adi3653

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie , Wetenschappelijke vooruitgang

Aangeboden door Columbia University School of Engineering and Applied Science