Tim peneliti menemukan dua dimensi

Artikel ini telah ditinjau sesuai dengan proses dan kebijakan editorial Science X. Para editor telah menekankan atribut berikut sambil memastikan kredibilitas konten:

fakta diverifikasi

sumber terpercaya

membenarkan

OKE! Gambar fotoluminesensi pandu gelombang boron nitrida heksagonal di ruang nyata (kiri) dan di ruang Fourier (kanan). Gambar ruang nyata menunjukkan lokasi pancaran fotoluminesensi dari sampel, sedangkan gambar ruang Fourier menunjukkan sudut cahaya yang dipancarkan. Gambar diambil oleh Nicholas Proscia pada April 2023. Kredit: Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS/Nicholas Proscia

× tutup

Gambar fotoluminesensi pandu gelombang boron nitrida heksagonal di ruang nyata (kiri) dan di ruang Fourier (kanan). Gambar ruang nyata menunjukkan lokasi pancaran fotoluminesensi dari sampel, sedangkan gambar ruang Fourier menunjukkan sudut cahaya yang dipancarkan. Gambar diambil oleh Nicholas Proscia pada April 2023. Kredit: Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS/Nicholas Proscia

Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS (NRL) bekerja sama dengan Kansas State University telah menemukan pandu gelombang pelat berdasarkan bahan dua dimensi boron nitrida heksagonal. Tonggak sejarah ini dilaporkan dalam jurnal Advanced Materials.

Material dua dimensi (2D) adalah kelas material yang dapat direduksi hingga batas lapisan tunggal dengan pengelupasan lapisan secara mekanis. Daya tarik antar lapisan yang lemah (tarikan van der Waals) memungkinkan pemisahan lapisan menggunakan apa yang disebut metode “scotch tape”.

Material 2D yang paling terkenal, graphene, adalah material semi-logam yang terdiri dari satu lapisan atom karbon. Baru-baru ini, material 2D lainnya juga mendapat perhatian, termasuk semikonduktor logam transisi dichalcogenides (TMDs) dan isolasi hexagonal boron nitride (hBN). Ketika direduksi mendekati batas monolayer, material 2D memiliki sifat skala nano unik yang menarik untuk membuat perangkat elektronik dan optik yang sangat tipis secara atom.

“Kami tahu bahwa menggunakan boron nitrida heksagonal akan menghasilkan sifat optik yang sangat baik dalam sampel kami; tidak satupun dari kami mengharapkan bahwa itu juga akan bertindak sebagai pandu gelombang,” kata Samuel Lagasse, Ph.D., Divisi Bahan dan Aplikasi Baru. “Karena hBN digunakan secara luas pada perangkat berbasis material 2D, penggunaan baru ini sebagai pandu gelombang optik memiliki potensi implikasi yang luas.”

Lapisan tunggal Graphene dan TMD sangat sensitif terhadap lingkungan sekitar. Oleh karena itu para ilmuwan mencoba melindungi bahan-bahan ini dengan merangkumnya dalam lapisan pasivasi. Di sinilah peran hBN: lapisan hBN mampu “menyaring” kotoran di dekat lapisan graphene atau TMD, sehingga menghasilkan sifat yang luar biasa. Dalam penelitian terbaru yang dipimpin oleh NRL, ketebalan hBN yang mengelilingi lapisan TMD pemancar cahaya disetel dengan cermat untuk mendukung mode pandu gelombang optik.

Peneliti NRL dengan hati-hati mengumpulkan tumpukan material 2D yang dikenal sebagai “heterostruktur van der Waals”. Heterostruktur ini dapat memiliki sifat khusus karena adanya pelapisan. Lembaran hBN ditempatkan di sekitar satu lapisan TMD seperti molibdenum diselenida atau tungsten diselenida, yang dapat memancarkan cahaya di wilayah tampak dan inframerah dekat.

Ketebalan pelat hBN disesuaikan secara hati-hati sehingga cahaya yang dipancarkan akan terperangkap di hBN dan pandu gelombang. Ketika pandu gelombang cahaya mencapai tepi hBN, pandu gelombang cahaya tersebut dapat menyebar dan terdeteksi oleh mikroskop.

Penelitian ini dilatarbelakangi oleh tantangan pengukuran optik TMD 2D. Ketika sinar laser difokuskan pada TMD, partikel yang disebut eksiton dihasilkan. Kebanyakan eksiton memancarkan cahaya dari bidang TMD; namun, di beberapa TMD, jenis eksiton yang sulit dipahami yang dikenal sebagai eksiton gelap ada dan memancar di bidang TMD. Pandu gelombang lempengan NRL menangkap cahaya dari rangsangan gelap dan menyediakan cara untuk mempelajarinya secara optik.

Gambar mikroskop confocal dari fotoluminesensi pandu gelombang dalam pandu gelombang boron nitrida heksagonal. Pola lobus pada bagian tepinya menyerupai ikan koi yang mengelilingi kolam. Gambar diambil oleh Samuel LaGasse pada April 2023. Kredit: Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS/Samuel LaGasse

× tutup

“Bahan 2D memiliki sifat optoelektronik eksotis yang akan berguna bagi Angkatan Laut,” kata Lagasse. “Tantangan besarnya adalah menghubungkan material ini ke platform yang sudah ada tanpa merusaknya – pandu gelombang boron nitrida ini adalah sebuah langkah menuju realisasi tersebut.”

Peneliti NRL menggunakan dua jenis mikroskop optik khusus untuk mengkarakterisasi pandu gelombang hBN. Satu pengaturan memungkinkan peneliti membedakan secara spektroskopi fotoluminesensi yang dipancarkan dari berbagai lokasi di pandu gelombang. Pengaturan lain memungkinkan mereka memantau distribusi sudut cahaya yang dipancarkan.

Peneliti NRL juga telah mengembangkan model pandu gelombang elektromagnetik 3D. Hasil pemodelan memberikan perangkat untuk merancang perangkat 2D masa depan yang menggunakan pandu gelombang pelat.

Informasi lebih lanjut:
Samuel W. LaGasse dkk, Pandu Gelombang Lempengan Boron Nitrida Heksagonal untuk Peningkatan Spektroskopi Material 2D Terenkapsulasi, Material Tingkat Lanjut (2023). DOI: 10.1002/adma.202309777