科學家發現了由二維材料六方氮化硼製成的板狀波導

一項具有里程碑意義的發現推出了由六方氮化硼（hBN）製成的板坯波導，展示了二維材料在推動光學設備技術發展方面的潛力。這項創新強調了六方氮化硼作爲光波導的獨特性能，以及它對增強基於二維材料的器件的廣泛影響。

美國海軍研究實驗室（NRL）與堪薩斯州立大學合作，宣佈發現了由二維材料六方氮化硼製成的板狀波導。這一里程碑式的發現已在《先進材料》（Advanced Materials）雜誌上發表。

二維（2D）材料是一類可以通過機械剝離層來還原到單層極限的材料,通過所謂的"蘇格蘭膠帶"法，可以利用微弱的層間吸引力或範德華吸引力將各層分開。最著名的二維材料石墨烯是一種由單層碳原子組成的半金屬材料。最近，包括半導體過渡金屬二摻雜物（TMDs）和絕緣六方氮化硼（hBN）在內的其他二維材料也引起了人們的關注。當降低到接近單層極限時，二維材料具有獨特的納米級特性，這對製造原子級薄型電子和光學設備很有吸引力。

新型材料與應用部門的 Samuel Lagasse 博士說："我們知道使用六方氮化硼會使我們的樣品具有出色的光學特性，但我們誰也沒想到它還能起到波導的作用。由於氮化硼在基於二維材料的設備中應用如此廣泛，這種作爲光波導的新用途可能會產生廣泛的影響。"

六邊形氮化硼波導中的波導光致發光共聚焦顯微鏡圖像，邊緣的葉狀圖案讓人聯想到錦鯉繞池遊。圖片由 Samuel LaGasse 於 2023 年 4 月拍攝。圖片來源：美國海軍研究實驗室/Samuel LaGasse

石墨烯和 TMD 單層材料對周圍環境都極爲敏感。因此，研究人員試圖通過將這些材料封裝在鈍化層中來保護它們。這就是氫溴酸硼的作用所在：氫溴酸硼層能夠"篩選"石墨烯或 TMD 層附近的雜質，從而產生奇妙的特性。在最近由 NRL 領導的工作中，對發光 TMD 層周圍的 hBN 厚度進行了仔細調整，以支持光波導模式。

波導技術的進步

NRL 的研究人員小心翼翼地將被稱爲"範德華異質結構"的二維材料堆疊在一起。這些異質結構因分層而具有特殊的性能。在二硒化鉬或二硒化鎢等 TMD 的單層周圍放置了 hBN 板，這些 TMD 可以發射可見光和近紅外線。hBN 板的厚度經過仔細調整，這樣發射的光就會被困在 hBN 內並被波導。當光波導到氫化硼的邊緣時，就會散射出來，並被顯微鏡探測到。

六邊形氮化硼波導的實空間（左）和傅立葉空間（右）光致發光圖像。實空間圖像顯示了樣品內部發出光致發光的位置，而傅立葉空間圖像則描述了發出光的角度。圖片由 Nicholas Proscia 於 2023 年 4 月拍攝。圖片來源：美國海軍研究實驗室/Nicholas Proscia

這項研究的動力來自於二維 TMD 光學測量所面臨的挑戰。當激光聚焦在 TMD 上時，會產生稱爲激子的粒子。大多數激子在 TMD 平面外發光，但在某些 TMD 中存在一種難以捉摸的激子，被稱爲"暗"激子，它在 TMD 平面內發光。NRL 的板坯波導可以捕捉暗激子發出的光，從而提供了一種對其進行光學研究的方法。

"二維材料具有奇特的光電特性，對海軍非常有用，"Lagasse 說。"一個巨大的挑戰是在不損壞現有平臺的情況下將這些材料與現有平臺連接起來--這些氮化硼波導是實現這一目標的一步"。

NRL 研究人員使用兩種特殊類型的光學顯微鏡來鑑定氫化硼波導。其中一種裝置允許研究人員從光譜學角度解析波導不同點發出的光致發光。另一種裝置可以讓他們觀察發射光的角度分佈。

NRL 研究人員還開發了波導的三維電磁模型。建模結果爲設計未來使用片狀波導的二維設備提供了一個工具包。

編譯來源：ScitechDaily