Bornitrid (BN) – auch bekannt als „weißes Graphen“ – ist ein Schichtmaterial, das aus den Elementen Bor (B) und Stickstoff (N) besteht und in verschiedenen Formen vorkommen kann, darunter hexagonales Bornitrid (hBN). Ähnlich wie Graphen hat hBN eine sechseckige (hexagonale) Gitterstruktur und seine 2D-Schichten werden in verschiedenen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Quantenoptik oder der Infrarot-Nanophotonik, oder einfach als Substrat oder Verkapselungsmaterial. Für solche Anwendungen ist eine genaue Charakterisierung der hBN-Schichten entscheidend. Abgesehen von der Resonanz im mittleren Infrarotbereich ist hBN als Einzelschicht jedoch über den gesamten nahen Infrarot- und sichtbaren Spektralbereich transparent. Daher kann es nicht mit herkömmlichen optischen Mikroskopen untersucht werden.
Diese Eigenschaft hat bislang die Verwendung von hBN bei der Entwicklung neuer Materialien stark eingeschränkt. Um zum Beispiel mögliche Verzerrungen und Materialgrenzen in 2D-Schichten zu identifizieren, müssen diese genau abgebildet werden. Darüber hinaus stapeln Forscher Einzelschichten aus 2D-Materialien übereinander, um van-der-Waals-Strukturen zu schaffen. Idealerweise möchten die Forschern diese Schichtung unter dem Mikroskop beobachten, auch um die Ausrichtung der einzelnen Schichten zu sehen.
Summenfrequenzmikroskop macht die hBN-Schichten sichtbar
Das Forschungsteam am Fritz-Haber-Institut hat ein Mikroskop entwickelt, das einen Trick aus der nichtlinearen Optik nutzt, um das ansonsten unsichtbare Material hBN sichtbar zu machen. Bei ihrer Methode, der phasenaufgelösten Summenfrequenzmikroskopie, werden zwei Laserstrahlen, einer im mittleren Infrarotbereich und einer im sichtbaren Bereich, gemischt, um ein Summenfrequenzsignal in der Probe zu erzeugen. Durch Anregung einer hBN-Gittervibration wird das Summenfrequenzsignal so intensiv, dass nicht nur Probenflächen von 100 × 100 μm2 in weniger als 1 s abgebildet werden, sondern sogar die Kristallorientierung sichtbar wird.
Dank ihres neuen Mikroskops konnten die Forscher zeigen, dass die 2D-Schichten aus hBN, die in dreieckigen Domänen wachsen, Stickstoff-terminierte Zickzackkanten haben. Zudem unterstreicht die hohe Nichtlinearität im Frequenzbereich der Schwingungsresonanz, dass einlagiges hBN ein vielversprechendes Material für die Frequenzaufwärtskonversion – vom Infraroten ins sichtbare Licht – in neuen optoelektronischen Bauelementen ist.
Perspektiven der neuen Mikroskopiemethode
Das neu entwickelte Mikroskop bietet Vorteile im Vergleich zu anderen Methoden. In erster Linie kann es optisch transparente Materialien sichtbar machen. Die Mikroskopbilder haben einen höheren Kontrast als herkömmliche AFM-Bilder, und die Signalverstärkung durch die Schwingungsresonanz ermöglicht eine Live-Bildgebung von hBN, einschließlich Online-Informationen über dessen Kristallorientierung. Das neue Mikroskop ermöglicht somit die kontrollierte Herstellung von Van-der-Waals-Strukturen.