Le Laboratoire de recherche navale des États-Unis (NRL), en collaboration avec l'Université d'État du Kansas, a découvert des guides d'ondes en dalles basés sur le matériau bidimensionnel nitrure de bore hexagonal. Cette étape a été rapportée dans la revue Advanced Materials .
Les matériaux bidimensionnels (2D) sont une classe de matériaux qui peuvent être réduits à la limite de la monocouche en décollant mécaniquement les couches. Les faibles attractions intercouches (attraction de Van der Waals) permettent de séparer les couches via la méthode dite du "Scotch tape".
Le matériau 2D le plus connu, le graphène, est un matériau semi-métallique constitué d’une seule couche d’atomes de carbone. Récemment, d’autres matériaux 2D, notamment les dichalcogénures de métaux de transition (TMD) semi-conducteurs et le nitrure de bore hexagonal (hBN) isolant, ont également retenu l’attention. Lorsqu'ils sont réduits à proximité de la limite de la monocouche, les matériaux 2D possèdent des propriétés nanométriques uniques qui sont attrayantes pour la création de dispositifs électroniques et optiques atomiquement minces.
"Nous savions que l'utilisation du nitrure de bore hexagonal conduirait à des propriétés optiques exceptionnelles dans nos échantillons ; aucun de nous ne s'attendait à ce qu'il serve également de guide d'onde", a déclaré Samuel Lagasse, Ph.D., Division des nouveaux matériaux et applications. "Étant donné que le hBN est si largement utilisé dans les dispositifs basés sur des matériaux 2D, cette nouvelle utilisation en tant que guide d'onde optique a potentiellement des impacts de grande envergure."
Les monocouches de graphène et de TMD sont toutes deux extrêmement sensibles à l’environnement. Les chercheurs ont donc cherché à protéger ces matériaux en les encapsulant dans une couche passivante. C'est là qu'intervient le hBN :les couches de hBN sont capables de « filtrer » les impuretés à proximité des couches de graphène ou de TMD, conduisant à des propriétés fantastiques. Dans des travaux récents menés par le LNR, l'épaisseur du hBN entourant une couche de TMD électroluminescente a été soigneusement ajustée afin de prendre en charge les modes de guide d'onde optique.
Les chercheurs du LNR ont soigneusement assemblé des piles de matériaux 2D connus sous le nom d'« hétérostructures de Van der Waals ». Ces hétérostructures peuvent avoir des propriétés spécialisées en raison de la stratification. Des plaques de hBN ont été placées autour de couches uniques de TMD, tels que le diséléniure de molybdène ou le diséléniure de tungstène, qui peuvent émettre de la lumière dans le visible et le proche infrarouge.
Les dalles de hBN ont été soigneusement ajustées en épaisseur afin que la lumière émise soit piégée dans le hBN et guidée par les ondes. Lorsque les guides d'ondes lumineuses se dirigent vers le bord du hBN, ils peuvent se disperser et être détectés par un microscope.
La recherche a été motivée par les défis des mesures optiques des TMD 2D. Lorsque la lumière laser est focalisée sur les TMD, des particules appelées excitons sont générées. La plupart des excitons émettent de la lumière hors du plan du TMD ; cependant, un type insaisissable d'exciton connu sous le nom d'exciton sombre existe dans certains TMD et émet dans le plan du TMD. Les guides d'ondes en dalle de NRL capturent la lumière des excitons sombres, offrant ainsi un moyen de les étudier optiquement.
"Les matériaux 2D ont des propriétés optoélectroniques exotiques qui seront utiles à la Marine", a déclaré Lagasse. "Un grand défi consiste à interfacer ces matériaux avec les plates-formes existantes sans les endommager. Ces guides d'ondes en nitrure de bore sont une étape vers cette réalisation."
Les chercheurs du LNR ont utilisé deux types spéciaux de microscopes optiques pour caractériser les guides d'ondes hBN. Une configuration permet aux chercheurs de résoudre spectroscopiquement la photoluminescence émise à partir de différents points du guide d’ondes. L'autre configuration leur permet d'observer la répartition angulaire de la lumière émise.
Les chercheurs du LNR ont également développé des modèles électromagnétiques 3D des guides d’ondes. Les résultats de la modélisation fournissent une boîte à outils pour concevoir de futurs appareils 2D utilisant des guides d'ondes en dalle.
Plus d'informations : Samuel W. LaGasse et al, Guides d'ondes hexagonaux en dalles de nitrure de bore pour la spectroscopie améliorée des matériaux 2D encapsulés, Matériaux avancés (2023). DOI :10.1002/adma.202309777
Fourni par le Laboratoire de recherche navale
