Intelligente nanomaterialer til fotonik

Siden Nobelprisen i fysik blev tildelt for forskning i grafen i 2010, 2D-materialer - nanoplader med atomtykkelse - har været et varmt emne i videnskaben. Denne betydelige interesse skyldes deres fremragende ejendomme, som har et enormt potentiale for en bred vifte af anvendelser. For eksempel, kombineret med optiske fibre, 2-D materialer kan muliggøre nye applikationer inden for sensorer, ikke-lineær optik, og kvanteteknologier.

Imidlertid, Det har hidtil været meget besværligt at kombinere disse to komponenter. Typisk, de atomare tynde lag skulle fremstilles separat, før de blev overført i hånden til den optiske fiber. Sammen med australske kolleger, Jena-forskere er nu for første gang lykkedes med at dyrke 2D-materialer direkte på optiske fibre. Denne fremgangsmåde letter fremstillingen af ​​sådanne hybrider betydeligt. Resultaterne af undersøgelsen blev rapporteret for nylig i det anerkendte tidsskrift om materialevidenskab Avancerede materialer .

Vækst gennem en teknologisk relevant procedure

"Vi integrerede overgangsmetal dichalcogenider - et 2-D materiale med fremragende optiske og fotoniske egenskaber, hvilken, for eksempel, interagerer stærkt med lys - til specialudviklede glasfibre, " forklarer Dr. Falk Eilenberger fra University of Jena og Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering (IOF) i Tyskland. "I modsætning til tidligere, vi påførte ikke det halv-nanometer tykke ark manuelt, men dyrkede det direkte på fiberen, " siger Eilenberger, en specialist inden for nanofotonik. "Denne forbedring betyder, at 2-D-materialet lettere og i stor skala kan integreres i fiberen. Vi har også kunnet vise, at lyset i glasfiberen interagerer stærkt med dens belægning." Skridtet til en praktisk anvendelse af det intelligente nanomateriale, der således er skabt, er ikke længere langt væk.

Succesen er opnået takket være en vækstproces udviklet på Institute of Physical Chemistry ved University of Jena, som overvinder tidligere forhindringer. "Ved at analysere og kontrollere vækstparametrene, vi identificerede de forhold, hvor 2-D-materialet direkte kan vokse i fibrene, " siger Jena 2-D materialeekspert prof. Andrey Turchanin, forklare metoden baseret på kemiske dampaflejringsteknikker (CVD). Blandt andet, en temperatur på over 700 grader Celsius er nødvendig for 2-D materialevækst.

Hybrid materiale platform

På trods af denne høje temperatur, de optiske fibre kan bruges til den direkte CVD-vækst:"Det rene kvartsglas, der fungerer som substrat, modstår de høje temperaturer ekstremt godt. Det er varmebestandigt op til 2, 000 grader Celsius, " siger prof. Markus A. Schmidt fra Leibniz Institute of Photonic Technology, der udviklede fibrene. "Deres lille diameter og fleksibilitet muliggør en række applikationer, " tilføjer Schmidt, som også har et begavet professorat for fiberoptik ved University of Jena.

Kombinationen af ​​2-D materiale og glasfiber har således skabt en intelligent materialeplatform, der kombinerer det bedste fra begge verdener. "På grund af funktionaliseringen af ​​glasfiberen med 2-D-materialet, interaktionslængden mellem lys og materiale er nu blevet væsentligt forøget, " siger Dr. Antony George, der udvikler fremstillingsmetoden til de nye 2-D materialer sammen med Turchanin.

Sensorer og ikke-lineære lysomformere

Teamet forestiller sig potentielle anvendelser for det nyudviklede materialesystem på to særlige områder. For det første, materialekombinationen er meget lovende for sensorteknologi. It could be used, for eksempel, to detect low concentrations of gasses. To this end, a green light sent through the fiber picks up information from the environment at the fiber areas functionalised with the 2-D material. As external influences change the fluorescent properties of the 2-D material, the light changes color and returns to a measuring device as red light. Since the fibers are very fine, sensors based on this technology might also be suitable for applications in biotechnology or medicine.

For det andet such a system could also be used as a non-linear light converter. Due to its non-linear properties, the hybrid optical fiber can be employed to convert a monochromatic laser light into white light for spectroscopy applications in biology and chemistry. The Jena researchers also envisage applications in the areas of quantum electronics and quantum communication.

Exceptional interdisciplinary cooperation

The scientists involved in this development emphasize that the success of the project was primarily due to the exceptional interdisciplinary cooperation between various research institutes in Jena. Based on the Thuringian research group "2-D-Sens" and the Collaborative Research Centre "Nonlinear Optics down to Atomic Scales" of Friedrich Schiller University, experts from the Institute of Applied Physics and Institute of Physical Chemistry of the University of Jena; the University's Abbe Center of Photonics; the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF; and the Leibniz Institute of Photonic Technology are collaborating on this research, together with colleagues in Australia.

"We have brought diverse expertise to this project and we are delighted with the results achieved, " says Eilenberger. "We are convinced that the technology we have developed will further strengthen the state of Thuringia as an industrial center with its focus on photonics and optoelectronics, " adds Turchanin. A patent application for the interdisciplinary team's invention has recently been filed.