El Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL), en colaboración con la Universidad Estatal de Kansas, ha descubierto guías de ondas en forma de placa basadas en el material bidimensional nitruro de boro hexagonal. Este hito ha sido reportado en la revista Advanced Materials. .
Los materiales bidimensionales (2D) son una clase de materiales que se pueden reducir al límite de la monocapa despegando mecánicamente las capas. Las débiles atracciones entre capas (atracción de Van der Waals) permiten separar las capas mediante el método llamado "cinta adhesiva".
El material 2D más conocido, el grafeno, es un material semimetálico que consta de una única capa de átomos de carbono. Recientemente, también han llamado la atención otros materiales 2D, incluidos los dicalcogenuros de metales de transición semiconductores (TMD) y el nitruro de boro hexagonal aislante (hBN). Cuando se reducen cerca del límite de la monocapa, los materiales 2D tienen propiedades nanoescala únicas que resultan atractivas para la creación de dispositivos electrónicos y ópticos atómicamente delgados.
"Sabíamos que el uso de nitruro de boro hexagonal conduciría a propiedades ópticas excepcionales en nuestras muestras; ninguno de nosotros esperaba que también actuara como guía de ondas", dijo Samuel Lagasse, Ph.D., División de Aplicaciones y Materiales Nuevos. "Dado que hBN se usa tan ampliamente en dispositivos basados en materiales 2D, este novedoso uso como guía de ondas ópticas tiene potencialmente impactos de amplio alcance".
Las monocapas de grafeno y TMD son extremadamente sensibles al entorno circundante. Por ello, los investigadores han buscado proteger estos materiales encapsulándolos en una capa pasivante. Aquí es donde entra en juego el hBN:las capas de hBN son capaces de "filtrar" impurezas cerca de las capas de grafeno o TMD, lo que genera propiedades fantásticas. En un trabajo reciente dirigido por NRL, el espesor del hBN que rodea una capa TMD emisora de luz se ajustó cuidadosamente para admitir modos de guía de ondas ópticas.
Los investigadores del NRL ensamblaron cuidadosamente pilas de materiales 2D conocidos como "heteroestructuras de van der Waals". Estas heteroestructuras pueden tener propiedades especializadas debido a las capas. Se colocaron placas de hBN alrededor de capas individuales de TMD, como el diseleniuro de molibdeno o el diseleniuro de tungsteno, que pueden emitir luz en el espectro visible y en el infrarrojo cercano.
Las losas de hBN se ajustaron cuidadosamente en espesor para que la luz emitida quedara atrapada dentro del hBN y guiada por ondas. Cuando la onda de luz guía hasta el borde del hBN, puede dispersarse y ser detectada por un microscopio.
La investigación fue motivada por los desafíos de las mediciones ópticas de los DTM 2D. Cuando la luz láser se enfoca en los TMD, se generan partículas conocidas como excitones. La mayoría de los excitones emiten luz fuera del plano del TMD; sin embargo, en algunos TMD existe un tipo esquivo de excitón conocido como excitón oscuro, que se emite en el plano del TMD. Las guías de onda losa de NRL capturan la luz de los excitones oscuros, proporcionando una forma de estudiarlos ópticamente.
"Los materiales 2D tienen propiedades optoelectrónicas exóticas que serán útiles para la Marina", afirmó Lagasse. "Un gran desafío es interconectar estos materiales con plataformas existentes sin dañarlas; estas guías de ondas de nitruro de boro son un paso hacia esa consecución".
Los investigadores del NRL utilizaron dos tipos especiales de microscopios ópticos para caracterizar las guías de ondas hBN. Una configuración permite a los investigadores resolver espectroscópicamente la fotoluminiscencia emitida desde diferentes puntos de la guía de ondas. La otra configuración les permite observar la distribución angular de la luz emitida.
Los investigadores del NRL también desarrollaron modelos electromagnéticos 3D de las guías de ondas. Los resultados del modelado proporcionan un conjunto de herramientas para diseñar futuros dispositivos 2D que utilicen guías de ondas de placa.
Más información: Samuel W. LaGasse et al, Guías de onda de losa de nitruro de boro hexagonal para espectroscopia mejorada de materiales 2D encapsulados, Materiales avanzados (2023). DOI:10.1002/adma.202309777
Proporcionado por el Laboratorio de Investigación Naval
