Il Naval Research Laboratory (NRL) degli Stati Uniti, in collaborazione con la Kansas State University, ha scoperto guide d'onda a lastra basate sul materiale bidimensionale nitruro di boro esagonale. Questo traguardo è stato riportato nella rivista Advanced Materials .
I materiali bidimensionali (2D) sono una classe di materiali che può essere ridotta al limite del monostrato separando meccanicamente gli strati. Le deboli attrazioni degli interstrati (attrazione di van der Waals) consentono la separazione degli strati tramite il cosiddetto metodo del "nastro adesivo".
Il materiale 2D più noto, il grafene, è un materiale semimetallico costituito da un singolo strato di atomi di carbonio. Recentemente, anche altri materiali 2D, tra cui i dichalcogenuri di metalli di transizione semiconduttori (TMD) e il nitruro di boro esagonale isolante (hBN), hanno attirato l'attenzione. Se ridotti vicino al limite del monostrato, i materiali 2D hanno proprietà su scala nanometrica uniche che sono interessanti per la creazione di dispositivi elettronici e ottici atomicamente sottili.
"Sapevamo che l'uso del nitruro di boro esagonale avrebbe portato a proprietà ottiche eccezionali nei nostri campioni; nessuno di noi si aspettava che avrebbe funzionato anche come guida d'onda", ha affermato Samuel Lagasse, Ph.D., Divisione Nuovi materiali e applicazioni. "Poiché l'hBN è utilizzato così ampiamente nei dispositivi basati su materiali 2D, questo nuovo utilizzo come guida d'onda ottica ha potenzialmente impatti ad ampio raggio."
I monostrati di grafene e TMD sono entrambi estremamente sensibili all’ambiente circostante. Pertanto, i ricercatori hanno cercato di proteggere questi materiali incapsulandoli in uno strato passivante. È qui che entra in gioco l'hBN:gli strati di hBN sono in grado di "schermare" le impurità vicino agli strati di grafene o TMD, portando a proprietà fantastiche. Nel recente lavoro condotto da NRL, lo spessore di hBN che circonda uno strato TMD che emette luce è stato attentamente regolato per supportare le modalità di guida d'onda ottica.
I ricercatori dell’NRL hanno assemblato con cura pile di materiali 2D noti come “eterostrutture di van der Waals”. Queste eterostrutture possono avere proprietà specializzate grazie alla stratificazione. Lastre di hBN sono state posizionate attorno a singoli strati di TMD, come il diseleniuro di molibdeno o il diseleniuro di tungsteno, che possono emettere luce nel visibile e nel vicino infrarosso.
Le lastre di hBN sono state attentamente calibrate nello spessore in modo che la luce emessa fosse intrappolata all'interno dell'hBN e guidata d'onda. Quando la luce guida d'onda verso il bordo dell'hBN, può disperdersi ed essere rilevata da un microscopio.
La ricerca è stata motivata dalle sfide legate alle misurazioni ottiche dei TMD 2D. Quando la luce laser viene focalizzata sui TMD, vengono generate particelle note come eccitoni. La maggior parte degli eccitoni emettono luce fuori dal piano del TMD; tuttavia, in alcuni TMD esiste un tipo sfuggente di eccitone noto come eccitone oscuro ed emette nel piano del TMD. Le guide d'onda a lastra di NRL catturano la luce dagli eccitoni scuri, fornendo un modo per studiarli otticamente.
"I materiali 2D hanno proprietà optoelettroniche esotiche che saranno utili alla Marina", ha affermato Lagasse. "Una grande sfida è interfacciare questi materiali con le piattaforme esistenti senza danneggiarle:queste guide d'onda in nitruro di boro rappresentano un passo verso questa realizzazione."
I ricercatori dell'NRL hanno utilizzato due tipi speciali di microscopi ottici per caratterizzare le guide d'onda hBN. Una configurazione consente ai ricercatori di risolvere spettroscopicamente la fotoluminescenza emessa da diversi punti della guida d'onda. L'altra configurazione permette loro di osservare la distribuzione angolare della luce emessa.
I ricercatori dell'NRL hanno anche sviluppato modelli elettromagnetici 3D delle guide d'onda. I risultati della modellazione forniscono un kit di strumenti per la progettazione di futuri dispositivi 2D che utilizzano guide d'onda a lastra.
Ulteriori informazioni: Samuel W. LaGasse et al, Guide d'onda esagonali in nitruro di boro per spettroscopia avanzata di materiali 2D incapsulati, Materiali avanzati (2023). DOI:10.1002/adma.202309777
Fornito da Naval Research Laboratory
