Forscher „entpacken“ 2D-Materialien mit Lasern

In einem neuen Artikel, der am 1. Mai in der Zeitschrift veröffentlicht wurde Wissenschaftliche FortschritteForscher von Columbia Engineering verwendeten kommerziell erhältliche Tischlaser, um winzige, atomar scharfe Nanostrukturen oder Nanomuster in Proben eines geschichteten 2D-Materials namens hexagonales Bornitrid (hBN) zu erzeugen.

Bei der Erforschung möglicher Anwendungen ihrer nanostrukturierten Strukturen mit Kollegen der Physikabteilung stellte das Team fest, dass ihre lasergeschnittenen hBN-Proben effektiv Quasiteilchen, sogenannte Phononpolaritonen, erzeugen und einfangen können, die entstehen, wenn sich Atomschwingungen in einem Material mit Lichtphotonen verbinden.

„Nanostrukturierung ist ein wichtiger Bestandteil der Materialentwicklung“, erklärte der Ingenieur-Doktorand. Studentin Cecilia Chen, die die Entwicklung der Technik leitete.

„Wenn man ein cooles Material mit interessanten Eigenschaften in etwas verwandeln möchte, das bestimmte Funktionen erfüllen kann, braucht man eine Möglichkeit, es zu modifizieren und zu kontrollieren.“

Die neue Nanostrukturierungstechnik, die im Labor von Professor Alexander Gaeta entwickelt wurde, ist eine einfache Möglichkeit, Materialien mit Licht zu modifizieren – und erfordert keinen teuren und ressourcenintensiven Reinraum.

Ein nanoskaliges Paradoxon

Es gibt mehrere gut etablierte Techniken, um Materialien zu modifizieren und gewünschte Nanomuster zu erzeugen, aber sie erfordern in der Regel umfangreiche Schulungen und teure Gemeinkosten. Elektronenstrahl-Lithographiemaschinen müssen beispielsweise in sorgfältig kontrollierten Reinräumen untergebracht werden, während bestehende Laseroptionen mit hoher Hitze und Plasmen verbunden sind, die Proben leicht beschädigen können; Die Größe des Lasers selbst begrenzt auch die Größe der erzeugbaren Muster.

Die Technik des Gaeta-Labors nutzt das, was in der Optik- und Photonik-Community als „optisches Fahren“ bekannt ist. Alle Materialien schwingen mit einer bestimmten Resonanz. Chen und ihre Kollegen können diese Schwingungen verstärken, indem sie ihre Laser auf diese Frequenz einstellen – was im Fall von hBN einer Wellenlänge von 7,3 Mikrometern entspricht – was sie erstmals in einer im vergangenen November veröffentlichten Studie demonstrierten Naturkommunikation.

In der neu veröffentlichten Arbeit versetzten sie hBN in noch intensivere Schwingungen, doch anstatt die zugrunde liegende Atomstruktur zu beschädigen, brachen die Laser das Kristallgitter sauber auf. Laut Chen war der Effekt unter dem Mikroskop sichtbar und sah aus, als würde man einen Reißverschluss öffnen.

Die resultierenden Linien auf der Probe waren atomar scharf und viel kleiner – nur wenige Nanometer – als die Laserwellenlängen im mittleren Infrarotbereich, mit denen sie erzeugt wurden. „Normalerweise benötigt man eine kürzere Wellenlänge, um ein kleineres Muster zu erzeugen“, sagte Chen. „Hier können wir mit sehr langen Wellenlängen sehr scharfe Nanostrukturen erzeugen. Das ist ein paradoxes Phänomen.“

Kleine Strukturen, große Physik

Um herauszufinden, was sie mit ihren nanostrukturierten Proben machen könnten, arbeitete das Ingenieurteam mit dem Labor des Physikers Dmitri Basov zusammen, das sich auf die Erzeugung und Steuerung nanooptischer Effekte in verschiedenen 2D-Materialien spezialisiert hat – einschließlich der Erzeugung von Phonon-Polaritonen in hBN.

Diese vibrierenden Quasiteilchen können Wissenschaftlern dabei helfen, über die Beugungsgrenze herkömmlicher Mikroskope hinaus zu „sehen“ und Merkmale im Material zu erkennen, die zu Quantenphänomenen führen. Sie könnten auch eine Schlüsselkomponente für die Miniaturisierung optischer Geräte sein, da die Elektronik im Laufe der Jahre kleiner geworden ist.

„Die moderne Gesellschaft basiert auf Miniaturisierung, aber es war viel schwieriger, Geräte zu verkleinern, die auf Licht als auf Elektronen basieren“, erklärte Ph.D. Student und Co-Autor Samuel Moore. „Durch die Nutzung starker hBN-Atomschwingungen können wir die Wellenlängen des Infrarotlichts um Größenordnungen verkleinern.“

Zur Anregung von Phononpolaritonen sind ultrascharfe Kanten erforderlich – normalerweise werden sie von den Seiten von hBN-Flocken abgefeuert, die mit der sogenannten „Scotch-Tape“-Methode hergestellt werden, bei der ein massiver Kristall mechanisch mit Haushaltsklebeband in dünnere Schichten abgezogen wird. Das Team stellte jedoch fest, dass die lasergeschnittenen Linien noch günstigere Bedingungen für die Erzeugung der Quasiteilchen bieten.

„Es ist beeindruckend, wie die lasergeschnittenen hBN-Regionen Phononenpolaritonen noch effizienter ausstoßen als der Rand, was auf eine ultraschmale entpackte hBN-Region schließen lässt, die stark mit Infrarotlicht interagiert“, sagte Moore.

Da mit der neuen Technik überall auf einer Probe Nanostrukturen erzeugt werden können, haben sie auch zwei Linien parallel entpackt. Dadurch entsteht ein kleiner Hohlraum, der die Phonon-Polaritonen an Ort und Stelle halten kann, was ihre nanooptische Empfindlichkeit erhöht. Das Team stellte fest, dass ihre entpackten Hohlräume eine vergleichbare Leistung beim Einfangen der Quasiteilchen hatten wie herkömmliche Hohlräume, die in Reinräumen hergestellt wurden.

„Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass unsere vorläufigen Strukturen mit denen konkurrieren können, die mit etablierteren Methoden erstellt wurden“, bemerkte Chen.

Flucht aus dem Reinraum

Die Technik kann viele anpassbare Nanomuster erzeugen. Über zweizeilige Hohlräume hinaus können beliebig viele parallele Linien erzeugt werden. Wenn solche Arrays bei Bedarf mit beliebigen Abständen hergestellt werden könnten, könnte dies die Abbildungsfähigkeit von Phonon-Polaritonen erheblich verbessern und wäre eine große Errungenschaft, sagte Moore.

Eine einmal begonnene Pause kann beliebig lange verlängert werden, und Proben mit einer Dicke von bis zu 80 Nanometern und einer Dicke von bis zu 24 Nanometern wurden entpackt – theoretisch könnte die Grenze viel niedriger sein.

Dies gibt Forschern viele Möglichkeiten, hBN zu modifizieren und zu untersuchen, wie seine Nanostrukturierung seine resultierenden Eigenschaften beeinflussen kann, ohne sich in einen Reinraum-Hasenanzug rüsten zu müssen. „Es kommt wirklich nur auf Ihr Endziel an“, sagte Chen.

Dennoch sieht sie noch viel Raum für Verbesserungen. Da es sich bei hBN um eine Reihe sich wiederholender Sechsecke handelt, erzeugt die Technik derzeit nur gerade oder abgewinkelte Linien, die sich in einem Winkel von 60° oder 120° treffen, obwohl Chen der Meinung ist, dass eine Kombination dieser Linien zu Dreiecken möglich sein sollte.

Derzeit können die Brüche auch nur in der Ebene auftreten; Wenn sie herausfinden können, wie sie auf Vibrationen außerhalb der Ebene reagieren, könnten sie möglicherweise einen massiven Kristall in verschiedene dreidimensionale Formen zerschneiden. Sie sind auch durch die Leistung ihrer Laser begrenzt, die sie jahrelang sorgfältig abgestimmt haben, um stabil bei den gewünschten Wellenlängen zu arbeiten. Während ihr Aufbau im mittleren Infrarotbereich gut für die Modifizierung von hBN geeignet ist, wären unterschiedliche Laser erforderlich, um Materialien mit unterschiedlichen Resonanzen zu modifizieren.

Ungeachtet dessen ist Chen begeistert vom Konzept des Teams und davon, was es in der Zukunft tun könnte. Als Mitglied der Ultrakurzpulslaser-Untergruppe im Gaeta-Labor half Chen beim Übergang von der Entwicklung und Erforschung leistungsstarker Laser zur Verwendung dieser als Werkzeuge zur Untersuchung der optischen Eigenschaften von 2D-Materialien.

Dieses Problem hatte Ähnlichkeiten mit anderen Problemen, mit denen sich Chen in ihrer Zeit außerhalb des Labors als Bouldererin befasst, einer Form des Felskletterns, bei der Kletterer niedrige, schroffe Felswände erklimmen, ohne dass sie im Falle eines Sturzes mit einem Gurt aufgefangen werden könnten.

„Beim Bouldern werden die potenziellen Kletterrouten als Probleme bezeichnet, und es gibt keine richtige Antwort auf deren Lösung“, sagte sie. Die besten Lösungen können nicht brutal erzwungen werden, fuhr sie fort: „Man muss sich einen Plan ausdenken, sonst wird man keinen Erfolg haben, egal ob man herausfindet, wie man makroskopische Merkmale in einem Felsbrocken oder mikroskopische Merkmale in einem winzigen Kristall ausnutzt.“