أطلق اكتشاف تاريخي دليلًا موجيًا لوحيًا مصنوعًا من نيتريد البورون السداسي (hBN)، مما يدل على إمكانات المواد ثنائية الأبعاد لتطوير تكنولوجيا الأجهزة البصرية. يسلط هذا الابتكار الضوء على الخصائص الفريدة لنتريد البورون السداسي كدليل موجي بصري وتأثيره الواسع على تعزيز الأجهزة القائمة على مواد ثنائية الأبعاد.
أعلن مختبر الأبحاث البحرية الأمريكية (NRL)، بالتعاون مع جامعة ولاية كانساس، عن اكتشاف دليل موجي للوحة مصنوع من مادة نيتريد البورون السداسية ثنائية الأبعاد. تم نشر هذا الاكتشاف التاريخي في مجلة المواد المتقدمة.
المواد ثنائية الأبعاد (2D) هي فئة من المواد التي يمكن اختزالها إلى حد الطبقة الواحدة عن طريق تقشير الطبقات ميكانيكيًا، باستخدام طبقة بينية ضعيفة أو عوامل جذب فان دير فالس لفصل الطبقات من خلال ما يسمى بطريقة "الشريط اللاصق". أشهر المواد ثنائية الأبعاد هي الجرافين، وهي مادة شبه معدنية تتكون من طبقة واحدة من ذرات الكربون. في الآونة الأخيرة، جذبت أيضًا مواد ثنائية الأبعاد أخرى، بما في ذلك المنشطات المعدنية الانتقالية شبه الموصلة (TMDs) ونيتريد البورون السداسي العازل (hBN)، الانتباه أيضًا. عند تقليلها إلى ما يقرب من حد الطبقة الواحدة، تمتلك المواد ثنائية الأبعاد خصائص نانوية فريدة تكون جذابة لتصنيع أجهزة إلكترونية وبصرية رفيعة ذريًا.
قال الدكتور صامويل لاجاس من قسم المواد والتطبيقات الجديدة: "كنا نعلم أن استخدام نيتريد البورون السداسي من شأنه أن يمنح عيناتنا خصائص بصرية ممتازة، لكن لم يتوقع أحد منا أن يعمل أيضًا كدليل موجي. وبما أن نيتريد البورون يستخدم على نطاق واسع في الأجهزة القائمة على مواد ثنائية الأبعاد، فإن هذا الاستخدام الجديد كدليل موجي بصري يمكن أن يكون له آثار واسعة النطاق."
تعد كل من المواد أحادية الطبقة من الجرافين وTMD حساسة للغاية للبيئة المحيطة بها. ولذلك، يحاول الباحثون حماية هذه المواد عن طريق تغليفها في طبقات التخميل. هذا هو المكان الذي يأتي فيه هيدروبروميد البورون: طبقة هيدروبروميد البورون قادرة على "حجب" الشوائب القريبة من طبقة الجرافين أو طبقة TMD، مما يؤدي إلى خصائص رائعة. في العمل الأخير الذي قادته NRL، تم ضبط سمك hBN حول طبقة TMD الانارة بعناية لدعم أوضاع الدليل الموجي البصري.
التقدم في تكنولوجيا الدليل الموجي
قام باحثو NRL بجمع مواد ثنائية الأبعاد بعناية تسمى "هياكل فان دير فالس المتغايرة". هذه الهياكل المتغايرة لها خصائص خاصة بسبب طبقاتها. يتم وضع صفائح hBN حول طبقة واحدة من TMDs مثل ثنائي سيلينيد الموليبدينوم أو ثنائي سيلينيد التنغستن، والتي ينبعث منها الضوء المرئي والقريب من الأشعة تحت الحمراء. يتم ضبط سمك لوحة hBN بعناية بحيث يتم محاصرة الضوء المنبعث داخل hBN وتوجيهه بموجات. عندما يصل الدليل الموجي الضوئي إلى حافة هيدريد البورون، يتم تشتيته وكشفه بواسطة المجهر.
كان الدافع وراء هذا البحث هو التحديات التي تواجهها القياسات البصرية لأجهزة TMD ثنائية الأبعاد. عندما يركز ضوء الليزر على TMD، يتم إنتاج جسيمات تسمى الإكسيتونات. تبعث معظم الإكسيتونات ضوءًا خارج مستوى TMD، ولكن في بعض TMDs يوجد نوع بعيد المنال من الإكسيتون، يسمى الإكسيتون "المظلم"، الذي ينبعث الضوء داخل مستوى TMD. يمكن للدليل الموجي لألواح NRL التقاط الضوء المنبعث من الإكسيتونات المظلمة، مما يوفر طريقة لدراستها بصريًا.
وقال لاجاسي: "المواد ثنائية الأبعاد لها خصائص إلكترونية بصرية غريبة من شأنها أن تكون مفيدة للغاية للبحرية". "التحدي الكبير هو ربط هذه المواد بالمنصات الموجودة دون الإضرار بها - تعد الأدلة الموجية لنتريد البورون خطوة نحو هذا الهدف."
استخدم باحثو NRL نوعين خاصين من المجهر الضوئي لتوصيف أدلة موجة هيدريد البورون. سمح أحد الأجهزة للباحثين بحل اللمعان الضوئي المنبعث من نقاط مختلفة في الدليل الموجي باستخدام التحليل الطيفي. وسمح لهم جهاز آخر بمراقبة التوزيع الزاوي للضوء المنبعث.
قام باحثو NRL أيضًا بتطوير نموذج كهرومغناطيسي ثلاثي الأبعاد للدليل الموجي. توفر نتائج النمذجة مجموعة أدوات لتصميم أجهزة ثنائية الأبعاد مستقبلية باستخدام أدلة موجية للصفائح.
المصدر المجمع: ScitechDaily