Eine bahnbrechende Entdeckung ist die Einführung eines Plattenwellenleiters aus hexagonalem Bornitrid (hBN), der das Potenzial zweidimensionaler Materialien zur Weiterentwicklung der optischen Gerätetechnologie demonstriert. Diese Innovation unterstreicht die einzigartigen Eigenschaften von hexagonalem Bornitrid als optischer Wellenleiter und seinen weitreichenden Einfluss auf die Verbesserung von Geräten auf Basis von 2D-Materialien.

Das U.S. Naval Research Laboratory (NRL) gab in Zusammenarbeit mit der Kansas State University die Entdeckung eines Plattenwellenleiters bekannt, der aus dem zweidimensionalen Material hexagonalem Bornitrid besteht. Diese bahnbrechende Entdeckung wurde in der Zeitschrift Advanced Materials veröffentlicht.

Zweidimensionale (2D) Materialien sind eine Klasse von Materialien, die durch mechanisches Ablösen von Schichten unter Verwendung schwacher Zwischenschichten oder Van-der-Waals-Anziehungen zur Trennung der Schichten durch die sogenannte „Scotch-Tape“-Methode auf die Einschichtgrenze reduziert werden können. Das bekannteste zweidimensionale Material, Graphen, ist ein halbmetallisches Material, das aus einer einzigen Schicht von Kohlenstoffatomen besteht. In jüngster Zeit haben auch andere 2D-Materialien, darunter halbleitende Übergangsmetall-Didotierungen (TMDs) und isolierendes hexagonales Bornitrid (hBN), Aufmerksamkeit erregt. Wenn 2D-Materialien auf nahezu die Einschichtgrenze reduziert werden, besitzen sie einzigartige nanoskalige Eigenschaften, die für die Herstellung atomar dünner elektronischer und optischer Geräte attraktiv sind.

Dr. Samuel Lagasse von der Abteilung für neuartige Materialien und Anwendungen sagte: „Wir wussten, dass die Verwendung von hexagonalem Bornitrid unseren Proben hervorragende optische Eigenschaften verleihen würde, aber keiner von uns erwartete, dass es auch als Wellenleiter fungieren würde. Da Bornitrid in Geräten, die auf zweidimensionalen Materialien basieren, so weit verbreitet ist, könnte diese neue Verwendung als optischer Wellenleiter weitreichende Auswirkungen haben.“

Konfokalmikroskopisches Bild der Wellenleiter-Photolumineszenz in einem hexagonalen Bornitrid-Wellenleiter mit einem blattähnlichen Muster an den Rändern, das an einen Koi-Karpfen erinnert, der um einen Teich schwimmt. Bild aufgenommen von Samuel LaGasse im April 2023. Bildquelle: U.S. Naval Research Laboratory/Samuel LaGasse

Sowohl Graphen- als auch TMD-Einschichtmaterialien reagieren äußerst empfindlich auf ihre Umgebung. Daher versuchen Forscher, diese Materialien zu schützen, indem sie sie in Passivierungsschichten einkapseln. Hier kommt Borhydrobromid ins Spiel: Die Borhydrobromidschicht ist in der Lage, Verunreinigungen in der Nähe der Graphen- oder TMD-Schicht „abzuschirmen“, was zu fantastischen Eigenschaften führt. In einer kürzlich vom NRL geleiteten Arbeit wurde die hBN-Dicke um die lumineszierende TMD-Schicht sorgfältig abgestimmt, um optische Wellenleitermodi zu unterstützen.

Fortschritte in der Wellenleitertechnologie

NRL-Forscher stapelten sorgfältig zweidimensionale Materialien, sogenannte „Van-der-Waals-Heterostrukturen“. Diese Heterostrukturen weisen aufgrund ihrer Schichtung besondere Eigenschaften auf. hBN-Blätter werden um eine einzelne Schicht aus TMDs wie Molybdändiselenid oder Wolframdiselenid gelegt, die sichtbares und naheinfrarotes Licht emittieren. Die Dicke der hBN-Platte wird sorgfältig angepasst, sodass das emittierte Licht im hBN eingefangen und wellengeleitet wird. Wenn der Lichtwellenleiter den Rand des Borhydrids erreicht, wird er gestreut und von einem Mikroskop erfasst.

Realraum- (links) und Fourierraum-Photolumineszenzbilder (rechts) eines hexagonalen Bornitrid-Wellenleiters. Das Realraumbild zeigt, wo innerhalb der Probe die Photolumineszenz emittiert wird, während das Fourierraumbild den Winkel beschreibt, in dem das Licht emittiert wird. Bild aufgenommen im April 2023 von Nicholas Proscia. Bildquelle: U.S. Naval Research Laboratory/Nicholas Proscia

Diese Forschung wurde durch die Herausforderungen motiviert, denen sich optische Messungen von 2D-TMDs gegenübersehen. Wenn Laserlicht auf das TMD fokussiert wird, entstehen Partikel, sogenannte Exzitonen. Die meisten Exzitonen emittieren Licht außerhalb der TMD-Ebene, aber in einigen TMDs gibt es einen schwer fassbaren Typ von Exzitonen, ein sogenanntes „dunkles“ Exziton, das Licht innerhalb der TMD-Ebene emittiert. Der Plattenwellenleiter des NRL kann das von dunklen Exzitonen emittierte Licht einfangen und bietet so die Möglichkeit, sie optisch zu untersuchen.

„Zweidimensionale Materialien haben besondere optoelektronische Eigenschaften, die für die Marine sehr nützlich wären“, sagte Lagasse. „Eine große Herausforderung besteht darin, diese Materialien mit bestehenden Plattformen zu verbinden, ohne sie zu beschädigen – diese Bornitrid-Wellenleiter sind ein Schritt in Richtung dieses Ziels.“

NRL-Forscher verwendeten zwei spezielle Arten der optischen Mikroskopie, um Borhydrid-Wellenleiter zu charakterisieren. Mit einem Gerät konnten die Forscher die an verschiedenen Punkten im Wellenleiter emittierte Photolumineszenz spektroskopisch auflösen. Mit einem anderen Gerät konnten sie die Winkelverteilung des emittierten Lichts beobachten.

NRL-Forscher entwickelten außerdem ein dreidimensionales elektromagnetisches Modell des Wellenleiters. Die Modellierungsergebnisse stellen ein Toolkit für den Entwurf zukünftiger 2D-Geräte unter Verwendung von Schichtwellenleitern bereit.

Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily