Un nuovo microscopio è in grado di riprodurre un materiale invisibile in 2D

Aspetti chiave

• Un materiale affascinante: Il nitruro di boro esagonale (hBN) è un materiale molto importante per il vasto e fiorente campo della ricerca sui materiali bidimensionali (2D) e sui nuovi dispositivi emergenti.
• La sfida: I monostrati di hBN, con uno spessore di un solo atomo, sono stati molto difficili da usare nelle strutture 2D perché sono molto difficili da vedere.
• Il nuovo approccio: La microscopia a somma frequenza, pilotando in modo risonante una vibrazione del reticolo di hBN, fa illuminare i monostrati di hBN.

Perché studiare i materiali 2D?

I materiali 2D sono sostanze cristalline costituite da un solo strato di atomi e hanno proprietà molto insolite che derivano dalla loro natura estremamente sottile. La scienza dei materiali conosce i materiali a strati sottili da oltre cento anni, ma solo nel 2004 è stato possibile produrre con successo i primi strati 2D, ovvero il grafene. Da allora, sono stati sviluppati continuamente nuovi materiali 2D e sono emerse nuove applicazioni. Gli strati sottili sono richiesti per applicazioni in molte tecnologie future, dai sistemi elettronici ed energetici ai componenti ottici. Pertanto, questi affascinanti materiali sono oggetto di un'ampia ricerca.

La sfida del nitruro di boro esagonale

Il nitruro di boro (BN) - noto anche come "grafene bianco" - è un materiale stratificato composto dagli elementi boro (B) e azoto (N) e può esistere in varie forme, tra cui il nitruro di boro esagonale (hBN). Simile al grafene, l'hBN ha una struttura reticolare esagonale e i suoi strati 2D sono ampiamente utilizzati in varie applicazioni, come l'ottica quantistica o la nanofotonica a infrarossi, o semplicemente come substrato o materiale incapsulante. Per queste applicazioni è fondamentale una caratterizzazione precisa degli strati di h-BN. Tuttavia, a parte la risonanza pronunciata nel medio infrarosso, come monostrato l'hBN è trasparente nell'intera gamma spettrale del vicino infrarosso e del visibile. Pertanto, non può essere studiato con i microscopi ottici convenzionali.

Questa limitazione ha finora ostacolato il suo utilizzo nello sviluppo di nuovi materiali. Ad esempio, per identificare le possibili distorsioni e i confini dei grani negli strati 2D, è necessario mapparli accuratamente. Inoltre, i ricercatori impilano monostrati di materiali 2D l'uno sull'altro per creare "strutture di van der Waals" che possono mostrare proprietà completamente nuove ed entusiasmanti. Idealmente, questa stratificazione potrebbe essere esaminata dal vivo al microscopio e l'orientamento dei singoli strati potrebbe essere visualizzato. Lo sviluppo di tali capacità per l'hBN è quindi molto auspicato.

Il microscopio a somma di frequenze

Il team di ricerca del Fritz Haber Institute ha superato questa sfida grazie al microscopio recentemente sviluppato che utilizza un trucco dell'ottica non lineare per rendere visibile il materiale hBN, altrimenti invisibile. Il loro metodo, chiamato "microscopia a somma di frequenza risolta in fase", mescola due fasci laser, uno nel medio infrarosso e uno nel visibile, per generare un segnale a somma di frequenza nel campione che viene misurato. Guidando in modo risonante una vibrazione del reticolo di hBN, il segnale a somma di frequenze misurato diventa molto intenso, rendendo possibile non solo l'immagine di grandi aree del campione di 100 × 100 μm2 in meno di 1 s, ma anche la visualizzazione dell'orientamento del cristallo.

Grazie al nuovo microscopio, i ricercatori hanno rivelato che gli strati 2D di hBN che crescono in domini triangolari mostrano bordi a zig-zag terminati con azoto. Inoltre, l'elevata non linearità osservata nell'intervallo di frequenza della risonanza vibrazionale evidenzia come l'hBN monostrato sia un materiale promettente per l'upconversione di frequenza - dall'infrarosso al visibile - in nuovi dispositivi optoelettronici.

Una fruttuosa collaborazione tra due dipartimenti del FHI e partner internazionali

Questo studio testimonia la filosofia di ricerca altamente collaborativa del Fritz Haber Institute, che unisce le competenze di più gruppi di ricerca di diversi dipartimenti e di numerosi partner internazionali in progetti comuni per affrontare le principali sfide della scienza. I campioni di monostrato di hBN sono stati sintetizzati presso la Vanderbilt University e poi analizzati mediante microscopia a somma frequenza presso il Dipartimento di Chimica Fisica del Fritz Haber Institute. Per supportare la caratterizzazione avanzata dei campioni, le immagini della microscopia a forza atomica (AFM) sono state registrate dai partner della collaborazione presso il Dipartimento di Fisica della Freie Universitat di Berlino. Infine, l'integrazione delle competenze del Dipartimento di Teoria dell'Istituto Fritz Haber ha permesso di estrarre i dettagli cristallografici.

Prospettive del nuovo metodo sperimentale

Il nuovo microscopio offre chiari vantaggi rispetto ad altri metodi esistenti. Innanzitutto, può rendere visibili al microscopio ottico materiali otticamente trasparenti. Le immagini risultanti hanno un contrasto molto più elevato rispetto alle immagini AFM tradizionali e l'uso del potenziamento della risonanza vibrazionale consente di ottenere "immagini dal vivo" dell'hBN, comprese informazioni online sull'orientamento del cristallo. Queste capacità avanzate rendono possibile la fabbricazione controllata di strutture stratificate di van der Waals in applicazioni future. Infine, gli autori prevedono anche un'estensione di questo nuovo strumento di imaging come metodo non invasivo e privo di etichette per studiare una gamma più ampia di materiali 2D impilati e le loro combinazioni con assemblaggi molecolari anisotropi.