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Uma descoberta marcante apresenta guias de ondas em placas feitas de nitreto de boro hexagonal (hBN), mostrando o potencial dos materiais 2D no avanço da tecnologia de dispositivos ópticos. Esta inovação ressalta as propriedades únicas do hBN como guia de ondas óptico e suas amplas implicações para o aprimoramento de dispositivos baseados em materiais 2D.
O Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL), trabalhando em conjunto com a Kansas State University, anunciou a descoberta de guias de ondas em placas feitas de nitreto de boro hexagonal de material bidimensional. Este marco foi documentado na revista Materiais avançados.
Materiais bidimensionais (2D) são uma classe de materiais que podem ser reduzidos ao limite da monocamada, separando mecanicamente as camadas. A atração fraca entre camadas, ou atração de van der Waals, permite que as camadas sejam separadas através do chamado método de “fita adesiva”. O material 2D mais famoso, 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. nanoescala propriedades que são atraentes para a criação de dispositivos eletrônicos e ópticos atomicamente finos.
Propriedades ópticas inesperadas
“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 um 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.”
Imagem de microscópio confocal de fotoluminescência guiada por ondas em um guia de ondas 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
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.
Avanços na tecnologia de guia de ondas
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.
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
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, no entanto, um tipo indescritível de exciton conhecido como exciton “escuro” existe em alguns TMDs, emite no plano do TMD. Os guias de onda em placa do NRL capturam a luz dos excitons escuros, fornecendo uma maneira de estudá-los opticamente.
“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-las – 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 permitiu 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 usam guias de onda em placas.
Referência: “Guias de onda hexagonais de laje de nitreto de boro para espectroscopia aprimorada de materiais 2D encapsulados” por Samuel W. LaGasse, Nicholas V. Proscia, Cory D. Cress, Jose J. Fonseca, Paul D. Cunningham, Eli Janzen, James H. Edgar, Daniel J. Pennachio, James Culbertson, Maxim Zalalutdinov e Jeremy T. Robinson, 22 de novembro de 2023, Materiais avançados.
DOI: 10.1002/adma.202309777