Рекордные показатели преломления в ультрафиолетовом свете нитрида бора, которые позволяют этому материалу стать основой разработок в области нанофотоники, выявили исследователи Центра фотоники и двумерных материалов МФТИ, 5 июня сообщает научно-популярный портал Naked Science.

Результаты исследования ученые из Физтеха представили в статье «Нанофотоника из гексагонального нитрида бора: материал-рекордсмен в ультрафиолетовом и видимом диапазонах спектра», опубликованной в журнале Materials Horizons.

Для доказательства практической ценности нитрида бора физики сконструировали нанометровый волновод, исследование характеристик которого показало его высокую эффективность. Разработчики считают, что устройства на основе этого материала смогут в ближайшем будущем заменить, например, компоненты в интегральных схемах компьютеров.

Фотонные устройства, в отличие от электронных, передают информацию с помощью фотонов, а поскольку свет движется быстрее электронов и при этом нет потерь от нагрева из-за сопротивления материала проводника, то такие устройства в скором времени могут заменить электронные.

Ограничением для создания таких устройств является тот факт, что минимальный размер фотонных элементов определяется длиной волны проходящего света, поэтому для создания нанометровых устройств нужны материалы, пропускающие ультрафиолетовый свет с длиной волны менее 300 нанометров.

Одновременно такой материал должен иметь высокий показатель преломления для дополнительного сжатия волны, а также быть недорогим и простым в производстве. «Показатель преломления очень важен в фотонике. Чем он выше у материала, тем выше эффективность устройств, сделанных из него, тем проще управлять светом. Благодаря этому сейчас активно развивается целое направление исследований — высокорефрактивные материалы», — рассказал научный сотрудник Центра фотоники и двумерных материалов Физтеха Георгий Ермолаев.

В поиске таких соединений ученые МФТИ обратились к исследованию оптических свойств гексагонального нитрида бора hBN, которые показали, что это вещество обладает рекордным показателем преломления в ультрафиолетовой области. Чтобы продемонстрировать это достоинство, ими на основе нитрида бора были разработаны нанометровый волновод и хиральное зеркало.

Хотя нитрид бора уже применяется в двумерной нанофотонике и оптоэлектронике, исследование его оптических свойств ранее велось в достаточно узком диапазоне длин волн. Это частично было вызвано небольшими размерами образцов нитрида бора, что затрудняет проведение измерений.

Ученым МФТИ удалось с помощью эллипсометрии и сканирующей оптической микроскопии определить показатель преломления и анизотропии этого вещества в широком диапазоне от 250 до 1700 нанометров.

При этом максимальное значение показателя преломления в ультрафиолетовом свете на длине 250 нанометров составило 2,75. Такая величина преломления позволяет уменьшить размеры фотонных элементов из нитрида бора до десятков нанометров и использовать эти устройства в фотонных интегральных схемах компьютеров, заменив ими электронные компоненты.

Компьютерное моделирование работы 40-нанометрового волновода, который сконструировали в Физтехе из нитрида бора, показало, что свет в волноводе распространяется практически не затухая, без оптических потерь.

Созданная из нитрида бора модель хирального зеркала (устройства, которое отражает закрученный в одну сторону поляризованный свет и пропускает свет, закрученный в другую) поможет разделять различные оптические изомеры биомолекул — то есть имеющих одинаковый состав и строение, но несимметричных.

Такой прибор очень востребован, например, при производстве лекарств, поскольку хиральные молекулы одного и того же вещества могут обладать различными лечебными свойствами.

Георгий Ермолаев прокомментировал результаты исследования: «Ультрафиолетовая нанофотоника только зарождается: нужно уменьшать длину волны света, чтобы уменьшать размеры фотонных устройств. Мы показали, что нитрид бора — отличная платформа для этого, так как, помимо высокого показателя преломления, у него еще и гигантская оптическая анизотропия, которая также увеличивает его эффективность. А низкие оптические потери позволяют передавать информацию на большие расстояния практически без затухания. Мы нашли наконец-то мостик, который бы позволил перейти от электроники к фотонике, то есть использовать преимущества фотона по сравнению с электроном. Сейчас работаем над тем, чтобы уже в реальной фотонной интегральной схеме показать это превосходство».