美国海军研究实验室(NRL)与堪萨斯州立大学合作，发现了基于二维材料六方氮化硼的平板波导。《先进材料》杂志报道了这一里程碑。

二维(2D)材料是一类可以通过机械剥离各层来减少至单层极限的材料。弱的层间吸引力(范德华吸引力)允许通过所谓的“透明胶带”方法分离各层。

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属化物(TMD)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。当减少到接近单层极限时，二维材料具有独特的纳米级特性，对于制造原子薄的电子和光学器件很有吸引力。

“我们知道使用六方氮化硼会在我们的样品中带来出色的光学性能;我们没有人想到它还能充当波导，”新型材料和应用部门的SamuelLagasse博士说。“由于六方氮化硼在基于二维材料的设备中应用如此广泛，这种作为光波导的新颖用途可能会产生广泛的影响。”

石墨烯和TMD单层膜都对周围环境极其敏感。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。这就是六方氮化硼的用武之地：六方氮化硼层能够“筛选”石墨烯或TMD层附近的杂质，从而产生奇妙的特性。在NRL最近主导的工作中，发光TMD层周围的六方氮化硼(hBN)的厚度经过仔细调整，以支持光波导模式。

NRL的研究人员仔细组装了被称为“范德华异质结构”的二维材料堆叠。由于分层，这些异质结构可以具有特殊的特性。将hBN板放置在单层TMD周围，例如二硒化钼或二硒化钨，它们可以发射可见光和近红外光。

六方氮化硼板的厚度经过仔细调整，以便发射的光被捕获在六方氮化硼内并进行波导。当光波导到六方氮化硼的边缘时，它会散射出去并被显微镜检测到。

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，会产生称为激子的粒子。大多数激子从TMD平面发射光;然而，一些TMD中存在一种难以捉摸的激子，称为暗激子，并在TMD平面上发射。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。

“二维材料具有奇异的光电特性，这对海军很有用，”拉加斯说。“一个巨大的挑战是将这些材料与现有平台连接而不损坏它们——这些氮化硼波导是实现这一目标的一步。”

NRL研究人员使用两种特殊类型的光学显微镜来表征六方氮化硼波导。一种设置允许研究人员通过光谱解析从波导的不同点发射的光致发光。另一种设置让他们观察发射光的角度分布。

NRL研究人员还开发了波导的3D电磁模型。建模结果为设计未来使用平板波导的二维设备提供了一个工具包。

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