“Tidak Ada dari Kita yang Mengharapkan Hal Ini” – Para Ilmuwan Telah Menemukan Pandu Gelombang 2D

Laboratorium Penelitian Angkatan Laut AS (NRL), bekerja sama dengan Kansas State University, telah mengumumkan penemuan pandu gelombang lempengan yang terbuat dari bahan dua dimensi boron nitrida heksagonal. Tonggak sejarah ini telah didokumentasikan dalam jurnal Materi Lanjutan.

Material dua dimensi (2D) adalah kelas material yang dapat direduksi hingga batas lapisan tunggal dengan mengupas lapisan-lapisannya secara mekanis. Daya tarik antarlapisan yang lemah, atau daya tarik van der Waals, memungkinkan lapisan-lapisan tersebut dipisahkan melalui apa yang disebut metode “Scotch tape”. Materi 2D paling terkenal, graphene, adalah bahan semimetalik yang terdiri dari satu lapisan atom karbon. Baru-baru ini, bahan 2D lainnya termasuk logam transisi semikonduktor dichalcogenides (TMDs) dan isolasi hexagonal boron nitride (hBN) juga mendapat perhatian. Ketika direduksi mendekati batas monolayer, material 2D menjadi unik skala nano properti yang menarik untuk menciptakan perangkat elektronik dan optik yang sangat tipis.

Sifat Optik Tak Terduga

“Kami tahu bahwa penggunaan boron nitrida heksagonal akan menghasilkan sifat optik yang luar biasa dalam sampel kami, tidak satu pun dari kami yang menduga bahwa boron nitrida juga akan berfungsi sebagai pandu gelombang,” kata Samuel Lagasse, Ph.D., Divisi Bahan dan Aplikasi Novel. “Karena hBN digunakan secara luas pada perangkat berbasis material 2D, penggunaan baru ini sebagai pandu gelombang optik berpotensi menimbulkan dampak yang luas.”

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

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

Kemajuan Teknologi Waveguide

Para peneliti di 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 tampak dan inframerah dekat. Lembaran hBN secara hati-hati disetel ketebalannya sehingga cahaya yang dipancarkan akan terperangkap di dalam hBN dan dipandu gelombang. Ketika pandu gelombang cahaya sampai ke tepi hBN, ia dapat menyebar dan terdeteksi oleh mikroskop.

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

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

“Material 2D memiliki sifat optoelektronik eksotis yang akan berguna bagi Angkatan Laut,” kata Lagasse. “Tantangan besarnya adalah menghubungkan material ini dengan 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 para peneliti untuk secara spektroskopi menyelesaikan pancaran fotoluminesensi dari berbagai titik pandu gelombang. Pengaturan lainnya memungkinkan mereka mengamati distribusi sudut cahaya yang dipancarkan.

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

Referensi: “Panduan Gelombang Lempengan Boron Nitrida Heksagonal untuk Peningkatan Spektroskopi Bahan 2D Terenkapsulasi” oleh 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 dan Jeremy T. Robinson, 22 November 2023, Materi Lanjutan.
DOI: 10.1002/adma.202309777