NRLとカンザス州立大学、2次元導波路を発見

March, 5, 2024, Washington--米国NRLとカンザス州立大学は、共同で、2次元材料の六方晶窒化ホウ素に基づくスラブ導波路発見を発表した。このマイルストーンは、学術誌「Advanced Materials」で報告されている。

2次元(2D)材料は、層を機械的に剥離することで単層限界まで減らすことができる材料クラス。弱い層間引力、またはファンデルワールス引力により、いわゆる「スコッチテープ」法によって層を分離することができる。最も有名な2D材料であるグラフェンは、炭素原子の単層からなる半金属材料。最近では、半導体遷移金属ダイカルコゲナイド(TMD)や絶縁性六方晶窒化ホウ素(hBN)などの2D材料も注目されている。単分子膜の限界に近づくと、2D材料は独自のナノスケール特性を持ち、原子レベルで薄い電子デバイスや光学デバイスの作製に魅力的である。

「六方晶窒化ホウ素を使用することで、サンプルの光学特性が向上することはわかっていたが、それが導波路としても機能するとは誰も予想していなかった。hBNは2次元材料ベースのデバイスで非常に広く使用されているため、光導波路としてのこの新しい使用法は、幅広い影響を与える可能性がある」と、新規材料および応用部門のSamuel LagassePh.Dは話している。

グラフェンとTMDの単分子膜は、どちらも周囲の環境に非常に敏感である。そのため、研究者たちは、これらの材料を不動態化層に封入することで保護しようとしてきた。hBNの層は、グラフェン層やTMD層付近の不純物を「ふるいにかける」ことができ、素晴らしい特性をもたらす。最近のNRL主導研究では、光導波路モードをサポートするために、発光TMD層を取り囲むhBNの厚さを慎重に調整した。

NRLの研究者は、「ファンデルワールスヘテロ構造」として知られる2D材料のスタックを慎重に組み立てた。これらのヘテロ構造は、層状化により特殊な特性を持つことができる。可視および近赤外で発光する二セレン化モリブデンや二セレン化タングステンなどのTMDの単層の周囲にhBNのスラブを配置した。hBNのスラブは、放出された光がhBN内に閉じ込められ、導波路に導かれるように、厚さを慎重に調整した。光導波路がhBNの縁に到達すると、散乱して顕微鏡で検出できる。

この研究は、2D TMDの光学測定の課題に動機付けられた。レーザ光がTMDに集光されると、励起子と呼ばれる粒子が生成される。ほとんどの励起子はTMDの平面から光を放出するが、一部のTMDには「暗い」励起子として知られるとらえどころのないタイプの励起子が存在し、TMDの平面に放出される。NRLのスラブ導波路は、暗い励起子からの光を捉え、光学的に研究する方法を提供する。

「2D材料は、海軍に役立つ魅力的な光電子特性を持っている。大きな課題は、これらの材料を損傷することなく既存のプラットフォームと接続すること。これらの窒化ホウ素導波路は、その実現に向けた一歩である」とLagasseは話している。

NRLの研究者は、2種類の特殊な光学顕微鏡を使用して、hBN導波路の特性評価を行った。1回のセットアップで、導波管の様々なスポットから放出されるフォトルミネッセンス発光を分光的に分解することができる。もう1つのセットアップでは、放出光の角度分布を観察することができた。

NRLの研究者は、導波路の3D電磁モデルも開発した。モデリング結果は、スラブ導波路を使用する将来の2Dデバイスを設計するためのツールキットとなる。