Новый микроскоп позволяет увидеть невидимый 2D-материал

Учёные из Института физической химии Фрица Габера разработали метод, позволяющий визуализировать одноатомные слои нитрида бора — материала, который обычно невидим для обычных оптических микроскопов. Решение заключается в использовании нелинейной микроскопии с инфракрасным излучением, заставляющей материал ярко светиться и даже показывать ориентацию его кристаллической решётки. Исследование опубликовано в журнале Advanced Materials.

Изображение монослоя нитрида бора, полученное с помощью SFG-микроскопии. Автор: FHI

Гексагональный нитрид бора (hBN), также известный как «белый графен», широко используется в квантовой оптике и нанофотонике. Однако его монослой прозрачен в видимом и ближнем инфракрасном диапазоне, что до сих пор затрудняло его изучение и применение при создании новых материалов, например, ван-дер-ваальсовых гетероструктур.

Новый метод, названный фазово-разрешённой суммарно-частотной микроскопией, решает эту проблему. Он смешивает два лазерных луча (в среднем ИК- и видимом диапазоне), генерируя в образце сигнал суммарной частоты. Резонансное возбуждение колебаний решётки hBN делает этот сигнал очень интенсивным, позволяя не только быстро сканировать большие площади, но и визуализировать кристаллическую ориентацию.

Схема нового SFG-микроскопа. Автор: FHI

С помощью этой технологии исследователи выяснили, что треугольные домены монослоя hBN имеют края, завершённые атомами азота. Высокая нелинейность материала в диапазоне колебательного резонанса также делает его перспективным для преобразования инфракрасного излучения в видимое в новых оптоэлектронных устройствах.

Разработка превосходит существующие методы, такие как атомно-силовая микроскопия, обеспечивая более высокий контраст и возможность «живой» визуализации с информацией об ориентации кристаллов в реальном времени. Это открывает путь к контролируемому созданию сложных слоистых структур. Учёные ожидают, что метод можно будет адаптировать для неинвазивного изучения и других 2D-материалов и их комбинаций.