Uma descoberta marcante lançou um guia de onda em placa feito de nitreto de boro hexagonal (hBN), demonstrando o potencial dos materiais bidimensionais para o avanço da tecnologia de dispositivos ópticos. Esta inovação destaca as propriedades únicas do nitreto de boro hexagonal como guia de ondas óptico e seu amplo impacto no aprimoramento de dispositivos baseados em materiais 2D.

O Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA (NRL), em colaboração com a Kansas State University, anunciou a descoberta de um guia de ondas de placa feito de material bidimensional nitreto de boro hexagonal. Esta descoberta marcante foi publicada na revista Advanced Materials.

Materiais bidimensionais (2D) são uma classe de materiais que podem ser reduzidos ao limite de camada única descascando mecanicamente as camadas, usando intercamadas fracas ou atrações de van der Waals para separar as camadas através do chamado método de "fita adesiva". O material bidimensional mais conhecido, o grafeno, é um material semimetálico composto por uma única camada de átomos de carbono. Recentemente, outros materiais 2D, incluindo di-dopings de metais de transição semicondutores (TMDs) e nitreto de boro hexagonal isolante (hBN), também atraíram a atenção. Quando reduzidos para perto do limite de camada única, os materiais 2D possuem propriedades únicas em nanoescala que são atraentes para a fabricação de dispositivos eletrônicos e ópticos atomicamente finos.

Samuel Lagasse, do Departamento de Novos Materiais e Aplicações, disse: "Sabíamos que o uso de nitreto de boro hexagonal daria às nossas amostras excelentes propriedades ópticas, mas nenhum de nós esperava que também funcionasse como um guia de ondas. Como o nitreto de boro é tão amplamente utilizado em dispositivos baseados em materiais bidimensionais, este novo uso como guia de ondas óptico pode ter implicações abrangentes. "

Imagem de microscopia confocal de fotoluminescência de guia de onda em um guia de onda hexagonal de nitreto de boro com um padrão semelhante a uma folha nas bordas que lembra uma carpa koi nadando ao redor de um lago. Imagem tirada por Samuel LaGasse em abril de 2023. Fonte da imagem: Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA/Samuel LaGasse

Os materiais de camada única de grafeno e TMD são extremamente sensíveis ao ambiente circundante. Portanto, os pesquisadores tentam proteger esses materiais encapsulando-os em camadas de passivação. É aqui que entra o bromidrato de boro: a camada de bromidrato de boro é capaz de “filtrar” impurezas próximas à camada de grafeno ou TMD, resultando em propriedades fantásticas. Em um trabalho recente liderado pelo NRL, a espessura do hBN ao redor da camada luminescente TMD foi cuidadosamente ajustada para suportar os modos de guia de ondas óptico.

Avanços na tecnologia de guia de ondas

Os pesquisadores do NRL empilharam cuidadosamente materiais bidimensionais chamados "heteroestruturas de van der Waals". Essas heteroestruturas possuem propriedades especiais devido às suas camadas. As folhas de hBN são colocadas em torno de uma única camada de TMDs, como disseleneto de molibdênio ou disseleneto de tungstênio, que emitem luz visível e infravermelha próxima. A espessura da placa hBN é cuidadosamente ajustada para que a luz emitida fique presa dentro do hBN e seja guiada por ondas. Quando o guia de ondas de luz atinge a borda do hidreto de boro, ele é espalhado e detectado por um microscópio.

Imagens de fotoluminescência em espaço real (esquerda) e espaço de Fourier (direita) de um guia de ondas hexagonal de nitreto de boro. A imagem do espaço real mostra onde a fotoluminescência é emitida na amostra, enquanto a imagem do espaço de Fourier descreve o ângulo em que a luz é emitida. Imagem tirada em abril de 2023 por Nicholas Proscia. Fonte da imagem: Laboratório de Pesquisa Naval dos EUA/Nicholas Proscia

Esta pesquisa foi motivada pelos desafios enfrentados pelas medições ópticas de DTMs 2D. Quando a luz do laser é focada na DTM, são produzidas partículas chamadas excitons. A maioria dos excitons emite luz fora do plano da DTM, mas em algumas DTM existe um tipo indescritível de exciton, chamado de exciton "escuro", que emite luz dentro do plano da DTM. O guia de onda em placa do NRL pode capturar a luz emitida por excitons escuros, fornecendo uma maneira de estudá-los opticamente.

“Os materiais bidimensionais têm propriedades optoeletrônicas peculiares que seriam muito úteis para a marinha”, disse Lagasse. "Um grande desafio é conectar esses materiais às plataformas existentes sem danificá-las - esses guias de onda de nitreto de boro são um passo em direção a esse objetivo."

Os pesquisadores do NRL usaram dois tipos especiais de microscopia óptica para caracterizar guias de onda de hidreto de boro. Um dispositivo permitiu aos pesquisadores resolver espectroscopicamente a fotoluminescência emitida em diferentes pontos do guia de ondas. Outro dispositivo permitiu observar a distribuição angular da luz emitida.

Os pesquisadores do NRL também desenvolveram um modelo eletromagnético tridimensional do guia de ondas. Os resultados da modelagem fornecem um kit de ferramentas para projetar futuros dispositivos 2D usando guias de onda em folha.

Fonte compilada: ScitechDaily