科学家发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导

一项具有里程碑意义的发现推出了由六方氮化硼（hBN）制成的板坯波导，展示了二维材料在推动光学设备技术发展方面的潜力。这项创新强调了六方氮化硼作为光波导的独特性能，以及它对增强基于二维材料的器件的广泛影响。

美国海军研究实验室（NRL）与堪萨斯州立大学合作，宣布发现了由二维材料六方氮化硼制成的板状波导。这一里程碑式的发现已在《先进材料》（Advanced Materials）杂志上发表。

二维（2D）材料是一类可以通过机械剥离层来还原到单层极限的材料,通过所谓的"苏格兰胶带"法，可以利用微弱的层间吸引力或范德华吸引力将各层分开。最著名的二维材料石墨烯是一种由单层碳原子组成的半金属材料。最近，包括半导体过渡金属二掺杂物（TMDs）和绝缘六方氮化硼（hBN）在内的其他二维材料也引起了人们的关注。当降低到接近单层极限时，二维材料具有独特的纳米级特性，这对制造原子级薄型电子和光学设备很有吸引力。

新型材料与应用部门的 Samuel Lagasse 博士说："我们知道使用六方氮化硼会使我们的样品具有出色的光学特性，但我们谁也没想到它还能起到波导的作用。由于氮化硼在基于二维材料的设备中应用如此广泛，这种作为光波导的新用途可能会产生广泛的影响。"

六边形氮化硼波导中的波导光致发光共聚焦显微镜图像，边缘的叶状图案让人联想到锦鲤绕池游。图片由 Samuel LaGasse 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Samuel LaGasse

石墨烯和 TMD 单层材料对周围环境都极为敏感。因此，研究人员试图通过将这些材料封装在钝化层中来保护它们。这就是氢溴酸硼的作用所在：氢溴酸硼层能够"筛选"石墨烯或 TMD 层附近的杂质，从而产生奇妙的特性。在最近由 NRL 领导的工作中，对发光 TMD 层周围的 hBN 厚度进行了仔细调整，以支持光波导模式。

波导技术的进步

NRL 的研究人员小心翼翼地将被称为"范德华异质结构"的二维材料堆叠在一起。这些异质结构因分层而具有特殊的性能。在二硒化钼或二硒化钨等 TMD 的单层周围放置了 hBN 板，这些 TMD 可以发射可见光和近红外线。hBN 板的厚度经过仔细调整，这样发射的光就会被困在 hBN 内并被波导。当光波导到氢化硼的边缘时，就会散射出来，并被显微镜探测到。

六边形氮化硼波导的实空间（左）和傅立叶空间（右）光致发光图像。实空间图像显示了样品内部发出光致发光的位置，而傅立叶空间图像则描述了发出光的角度。图片由 Nicholas Proscia 于 2023 年 4 月拍摄。图片来源：美国海军研究实验室/Nicholas Proscia

这项研究的动力来自于二维 TMD 光学测量所面临的挑战。当激光聚焦在 TMD 上时，会产生称为激子的粒子。大多数激子在 TMD 平面外发光，但在某些 TMD 中存在一种难以捉摸的激子，被称为"暗"激子，它在 TMD 平面内发光。NRL 的板坯波导可以捕捉暗激子发出的光，从而提供了一种对其进行光学研究的方法。

"二维材料具有奇特的光电特性，对海军非常有用，"Lagasse 说。"一个巨大的挑战是在不损坏现有平台的情况下将这些材料与现有平台连接起来--这些氮化硼波导是实现这一目标的一步"。

NRL 研究人员使用两种特殊类型的光学显微镜来鉴定氢化硼波导。其中一种装置允许研究人员从光谱学角度解析波导不同点发出的光致发光。另一种装置可以让他们观察发射光的角度分布。

NRL 研究人员还开发了波导的三维电磁模型。建模结果为设计未来使用片状波导的二维设备提供了一个工具包。

编译来源：ScitechDaily