Het US Naval Research Laboratory (NRL) heeft in samenwerking met de Kansas State University plaatgolfgeleiders ontdekt op basis van het tweedimensionale materiaal hexagonaal boornitride. Deze mijlpaal is gerapporteerd in het tijdschrift Advanced Materials .

Tweedimensionale (2D) materialen zijn een klasse materialen die kunnen worden teruggebracht tot de monolaaglimiet door de lagen mechanisch van elkaar los te trekken. Door de zwakke tussenlaagattracties (van der Waals-attractie) kunnen de lagen worden gescheiden via de zogenaamde "Scotch tape"-methode.

Het bekendste 2D-materiaal, grafeen, is een semimetaalmateriaal dat bestaat uit een enkele laag koolstofatomen. Onlangs hebben ook andere 2D-materialen, waaronder halfgeleidende overgangsmetaaldichalcogeniden (TMD's) en isolerend hexagonaal boornitride (hBN), de aandacht getrokken. Wanneer ze worden gereduceerd tot dichtbij de monolaaglimiet, hebben 2D-materialen unieke eigenschappen op nanoschaal die aantrekkelijk zijn voor het maken van atomair dunne elektronische en optische apparaten.

"We wisten dat het gebruik van hexagonaal boornitride zou leiden tot uitstekende optische eigenschappen in onze monsters; niemand van ons had verwacht dat het ook als golfgeleider zou werken", zegt Samuel Lagasse, Ph.D., Novel Materials and Applications Division. "Omdat hBN zo veel wordt gebruikt in op 2D-materiaal gebaseerde apparaten, heeft dit nieuwe gebruik als optische golfgeleider mogelijk verstrekkende gevolgen."

Grafeen- en TMD-monolagen zijn beide extreem gevoelig voor de omgeving. Daarom hebben onderzoekers geprobeerd deze materialen te beschermen door ze in een passiverende laag in te kapselen. Dit is waar hBN in beeld komt:lagen hBN kunnen onzuiverheden in de buurt van grafeen- of TMD-lagen "afschermen", wat tot fantastische eigenschappen leidt. In recent onderzoek onder leiding van de NRL werd de dikte van hBN rond een lichtgevende TMD-laag zorgvuldig afgestemd om optische golfgeleidermodi te ondersteunen.

Onderzoekers van NRL hebben zorgvuldig stapels 2D-materialen samengesteld die bekend staan ​​als 'van der Waals heterostructuren'. Deze heterostructuren kunnen gespecialiseerde eigenschappen hebben vanwege de gelaagdheid. Platen hBN werden rond enkele lagen TMD's geplaatst, zoals molybdeendiselenide of wolfraamdiselenide, die licht kunnen uitstralen in het zichtbare en nabije infrarood.

De platen van hBN werden zorgvuldig qua dikte afgestemd, zodat het uitgezonden licht in het hBN zou worden opgevangen en golfgeleid. Wanneer de lichtgolfgeleiders de rand van het hBN bereiken, kunnen ze zich verspreiden en door een microscoop worden gedetecteerd.

Het onderzoek werd gemotiveerd door de uitdagingen van optische metingen van 2D TMD's. Wanneer laserlicht op TMD's wordt gefocust, worden deeltjes gegenereerd die bekend staan ​​als excitonen. De meeste excitonen zenden licht uit het vlak van de TMD; in sommige TMD's bestaat echter een ongrijpbaar type exciton dat bekend staat als een donker exciton en dat uitzendt in het vlak van de TMD. De plaatgolfgeleiders van NRL vangen het licht van de donkere excitonen op, waardoor ze optisch kunnen worden bestudeerd.

"2D-materialen hebben exotische opto-elektronische eigenschappen die nuttig zullen zijn voor de marine", zegt Lagasse. "Een grote uitdaging is het verbinden van deze materialen met bestaande platforms zonder ze te beschadigen - deze boornitride-golfgeleiders zijn een stap in de richting van dat besef."

NRL-onderzoekers gebruikten twee speciale soorten optische microscopen om de hBN-golfgeleiders te karakteriseren. Eén opstelling stelt onderzoekers in staat om spectroscopisch de fotoluminescentie op te lossen die afkomstig is van verschillende plekken in de golfgeleider. Met de andere opstelling kunnen ze de hoekverdeling van het uitgestraalde licht observeren.

De NRL-onderzoekers ontwikkelden ook 3D-elektromagnetische modellen van de golfgeleiders. De modelleringsresultaten bieden een gereedschapskist voor het ontwerpen van toekomstige 2D-apparaten die gebruik maken van plaatgolfgeleiders.

Meer informatie: Samuel W. LaGasse et al., Zeshoekige golfgeleiders van boornitrideplaten voor verbeterde spectroscopie van ingekapselde 2D-materialen, Geavanceerde materialen (2023). DOI:10.1002/adma.202309777

Geleverd door Naval Research Laboratory