Un descubrimiento histórico ha lanzado una guía de ondas en placa hecha de nitruro de boro hexagonal (hBN), lo que demuestra el potencial de los materiales bidimensionales para avanzar en la tecnología de dispositivos ópticos. Esta innovación destaca las propiedades únicas del nitruro de boro hexagonal como guía de ondas ópticas y su amplio impacto en la mejora de dispositivos basados ​​en materiales 2D.

El Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU. (NRL), en colaboración con la Universidad Estatal de Kansas, anunció el descubrimiento de una guía de ondas de placa hecha de nitruro de boro hexagonal, un material bidimensional. Este descubrimiento histórico ha sido publicado en la revista Advanced Materials.

Los materiales bidimensionales (2D) son una clase de materiales que se pueden reducir al límite de una sola capa despegando mecánicamente las capas, utilizando capas intermedias débiles o atracciones de Van der Waals para separar las capas mediante el método llamado "cinta adhesiva". El material bidimensional más conocido, el grafeno, es un material semimetálico compuesto por una única capa de átomos de carbono. Recientemente, también han atraído la atención otros materiales 2D, incluidos los dopajes semiconductores de metales de transición (TMD) y el nitruro de boro hexagonal aislante (hBN). Cuando se reducen cerca del límite de una sola capa, los materiales 2D poseen propiedades únicas a nanoescala que son atractivas para fabricar dispositivos electrónicos y ópticos atómicamente delgados.

El Dr. Samuel Lagasse del Departamento de Aplicaciones y Materiales Nuevos dijo: "Sabíamos que el uso de nitruro de boro hexagonal daría a nuestras muestras excelentes propiedades ópticas, pero ninguno de nosotros esperaba que funcionara también como guía de ondas. Dado que el nitruro de boro se usa tan ampliamente en dispositivos basados ​​en materiales bidimensionales, este nuevo uso como guía de ondas ópticas podría tener implicaciones de amplio alcance".

Imagen de microscopía confocal de fotoluminiscencia de guía de ondas en una guía de ondas de nitruro de boro hexagonal con un patrón en forma de hoja en los bordes que recuerda a una carpa koi nadando alrededor de un estanque. Imagen tomada por Samuel LaGasse en abril de 2023. Fuente de la imagen: Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU./Samuel LaGasse

Tanto el grafeno como los materiales monocapa TMD son extremadamente sensibles al entorno que los rodea. Por ello, los investigadores intentan proteger estos materiales encapsulándolos en capas de pasivación. Aquí es donde entra en juego el bromhidrato de boro: la capa de bromhidrato de boro es capaz de "filtrar" las impurezas cerca de la capa de grafeno o TMD, lo que da como resultado propiedades fantásticas. En un trabajo reciente dirigido por NRL, el espesor de hBN alrededor de la capa luminiscente de TMD se ajustó cuidadosamente para admitir modos de guía de ondas ópticas.

Avances en la tecnología de guías de ondas

Los investigadores del NRL apilaron cuidadosamente materiales bidimensionales llamados "heteroestructuras de van der Waals". Estas heteroestructuras tienen propiedades especiales debido a su estratificación. Las láminas de hBN se colocan alrededor de una sola capa de TMD, como el diseleniuro de molibdeno o el diseleniuro de tungsteno, que emiten luz visible e infrarroja cercana. El grosor de la placa de hBN se ajusta cuidadosamente para que la luz emitida quede atrapada dentro del hBN y sea guiada por ondas. Cuando la guía de ondas de luz llega al borde del hidruro de boro, se dispersa y es detectada por un microscopio.

Imágenes de fotoluminiscencia en el espacio real (izquierda) y en el espacio de Fourier (derecha) de una guía de ondas de nitruro de boro hexagonal. La imagen del espacio real muestra dónde dentro de la muestra se emite la fotoluminiscencia, mientras que la imagen del espacio de Fourier describe el ángulo en el que se emite la luz. Imagen tomada en abril de 2023 por Nicholas Proscia. Fuente de la imagen: Laboratorio de Investigación Naval de EE. UU./Nicholas Proscia

Esta investigación fue motivada por los desafíos que enfrentan las mediciones ópticas de TMD 2D. Cuando la luz láser se enfoca en el TMD, se producen partículas llamadas excitones. La mayoría de los excitones emiten luz fuera del plano del TMD, pero en algunos TMD existe un tipo de excitón difícil de alcanzar, llamado excitón "oscuro", que emite luz dentro del plano del TMD. La guía de ondas losa de NRL puede capturar la luz emitida por excitones oscuros, proporcionando una forma de estudiarlos ópticamente.

"Los materiales bidimensionales tienen propiedades optoelectrónicas peculiares que serían muy útiles para la marina", dijo Lagasse. "Un gran desafío es conectar estos materiales a las plataformas existentes sin dañarlas; estas guías de ondas de nitruro de boro son un paso hacia ese objetivo".

Los investigadores del NRL utilizaron dos tipos especiales de microscopía óptica para caracterizar las guías de ondas de hidruro de boro. Un dispositivo permitió a los investigadores resolver espectroscópicamente la fotoluminiscencia emitida en diferentes puntos de la guía de ondas. Otro dispositivo les permitió observar la distribución angular de la luz emitida.

Los investigadores del NRL también desarrollaron un modelo electromagnético tridimensional de la guía de ondas. Los resultados del modelado proporcionan un conjunto de herramientas para diseñar futuros dispositivos 2D utilizando guías de ondas de láminas.

Fuente compilada: ScitechDaily