一项里程碑式的发现引入了由六方氮化硼(hBN)制成的平板波导，展示了二维材料在推进光学器件技术方面的潜力。这一创新强调了hBN作为光波导的独特特性及其对增强二维材料基器件的广泛影响。

　　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平板波导。这一里程碑已被记录在《先进材料》杂志上。

　　二维(2D)材料是一类可以通过机械剥离层来减少到单层极限的材料。弱的层间吸引力，或范德华吸引力，允许层通过所谓的“透明胶带”方法分开。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硫族化合物(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。当缩小到接近单层极限时，2D材料具有独特的纳米级特性，这对制造原子级薄的电子和光学器件具有吸引力。

　　意想不到的光学性质

　　“我们知道使用六方氮化硼会在我们的样品中产生出色的光学特性，我们没有人预料到它也会起到波导的作用，”新材料和应用部门的Samuel Lagasse博士说。“由于hBN在基于二维材料的设备中被广泛使用，这种作为光波导的新用途可能会产生广泛的影响。”

　　六方氮化硼波导中波导光致发光的共聚焦显微镜图像。边缘的叶状图案让人联想到环绕池塘的锦鲤。Samuel LaGasse摄于2023年4月。来源:美国海军研究实验室/Samuel LaGasse

　　石墨烯和TMD单层都对周围环境非常敏感。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hBN发挥作用的地方:hBN层能够“屏蔽”石墨烯或TMD层附近的杂质，从而产生奇妙的性能。在最近nrl领导的工作中，为了支持光波导模式，仔细调整了发光TMD层周围hBN的厚度。

　　波导技术的进展

　　NRL的研究人员仔细地组装了成堆的二维材料，称为“范德华异质结构”。这些异质结构由于层状而具有特殊的性质。hBN板被放置在单层tmd(如二硒化钼或二硒化钨)周围，这些tmd可以发出可见光和近红外光。hBN板的厚度经过精心调整，因此发射的光将被捕获在hBN内并进行波导。当光波导引导到hBN的边缘时，它可以散射出来，并被显微镜检测到。

　　六方氮化硼波导的实空间(左)和傅里叶空间(右)光致发光图像。实空间图像显示了从样品内部发射光致发光的位置，而傅里叶空间图像描述了发射光的角度。尼古拉斯·普罗西亚摄于2023年4月。资料来源:美国海军研究实验室/Nicholas Proscia

　　这项研究的动机是二维tmd光学测量的挑战。当激光聚焦在tmd上时，就会产生称为激子的粒子。大多数激子在TMD平面外发射光，然而，在一些TMD中存在一种难以捉摸的激子，称为“暗”激子，在TMD平面内发射。NRL的平板波导捕获来自暗激子的光，提供了一种光学研究它们的方法。

　　“2D材料具有奇特的光电特性，这将对海军有用，”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的研究人员使用了两种特殊类型的光学显微镜来表征hBN波导。一种装置允许研究人员光谱解析从波导的不同点发出的光致发光。另一种设置让他们观察发射光的角度分布。

　　NRL的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平板波导的二维器件提供了一个工具包。

　　参考文献:“六方氮化硼板波导用于封装二维材料的增强光谱”，作者:Samuel W. LaGasse, Nicholas V. Proscia, Cory D. Cress, Jose J. Fonseca, Paul D. Cunningham, Eli Janzen, James H. Edgar, Daniel J. Pennachio, James Culbertson, Maxim Zalalutdinov和Jeremy T. Robinson, 2023年11月22日，《先进材料》。DOI: 10.1002 / adma.202309777