Автор AZoNano 8 октября 2020 г.

Самое позднее с момента присуждения Нобелевской премии по физике за исследования графена в 2010 году 2D-материалы – нанолисты атомной толщины – были горячей темой в науке.

Такой значительный интерес вызван их выдающимися свойствами, которые имеют огромный потенциал для самых разных применений. Например, в сочетании с оптическими волокнами двумерные материалы могут открыть новые возможности в области датчиков, нелинейной оптики и квантовых технологий. Однако объединение этих двух компонентов до сих пор было очень трудоемким.

Как правило, атомарно тонкие слои приходилось изготавливать отдельно перед переносом вручную на оптическое волокно. Вместе с австралийскими коллегами исследователям из Йены впервые удалось вырастить 2D-материалы непосредственно на оптических волокнах. Такой подход значительно облегчает получение таких гибридов. Результаты исследования были недавно опубликованы в известном журнале по материаловедению Advanced Materials .

Рост с помощью технологически значимой процедуры

«Мы интегрировали дихалькогениды переходных металлов – двумерный материал с превосходными оптическими и фотонными свойствами, который, например, сильно взаимодействует со светом – в специально разработанные стеклянные волокна», объясняет доктор Фальк Эйленбергер из Университета из Йены и Института прикладной оптики и точного машиностроения им. Фраунгофера (IOF) в Германии. «В отличие от прошлого, мы не наносили лист толщиной в полнанометра вручную, а выращивали его непосредственно на волокне», – говорит Эйленбергер, специалист в области нанофотоники, . « Это усовершенствование означает, что 2D-материал может быть интегрирован в волокно более легко и в больших масштабах. Мы также смогли показать, что свет в стекловолокне сильно взаимодействует с его покрытием». Шаг к практическому применению интеллектуального наноматериала, созданного таким образом, уже не так уж далек.

Успех был достигнут благодаря процессу роста, разработанному в Институте физической химии Йенского университета, который преодолевает предыдущие препятствия. «Анализируя и контролируя параметры роста, мы определили условия, при которых 2D-материал может напрямую расти в волокнах», – говорит Йенский эксперт по 2D-материалам проф. Андрей Турчанин, объясняя метод, основанный на химическом осаждении из паровой фазы. (CVD) техники. Среди прочего, для роста 2D-материала необходима температура выше 700 градусов Цельсия.

Гибридная материальная платформа

Несмотря на такую ​​высокую температуру, оптические волокна можно использовать для прямого выращивания методом CVD: «Чистое кварцевое стекло, которое служит в качестве подложки, чрезвычайно хорошо выдерживает высокие температуры. Оно термостойкое до 2000 градусов Цельсия. , " говорит профессор Маркус А. Шмидт из Лейбницкого института фотонных технологий, который разработал волокна. «Их небольшой диаметр и гибкость позволяют использовать их в самых разных областях», – добавляет Шмидт, который также является профессором волоконной оптики в Йенском университете

Комбинация 2D-материала и стекловолокна, таким образом, позволила создать интеллектуальную материальную платформу, сочетающую лучшее из обоих миров. «Благодаря функционализации стекловолокна с 2D-материалом длина взаимодействия между светом и материалом теперь значительно увеличена», – говорит доктор Энтони Джордж, который разрабатывает метод производства для новых 2D-материалов. вместе с Турчаниным.

Датчики и нелинейные преобразователи света

Команда рассматривает потенциальные области применения новой системы материалов в двух конкретных областях. Во-первых, сочетание материалов очень перспективно для сенсорной техники. Его можно использовать, например, для обнаружения низких концентраций газов. Для этого зеленый свет, посылаемый по волокну, собирает информацию из окружающей среды в областях волокна, функционализированных с помощью 2D-материала.

Поскольку внешние воздействия изменяют флуоресцентные свойства 2D-материала, свет меняет цвет и возвращается к измерительному устройству в виде красного света. Поскольку волокна очень тонкие, датчики, основанные на этой технологии, также могут быть подходящими для применения в биотехнологии или медицине.

Во-вторых, такая система могла также использоваться в качестве нелинейного преобразователя света. Благодаря своим нелинейным свойствам гибридное оптическое волокно может использоваться для преобразования монохроматического лазерного света в белый свет для приложений спектроскопии в биологии и химии. Исследователи из Йены также рассматривают приложения в области квантовой электроники и квантовой связи.

Исключительное междисциплинарное сотрудничество

Ученые, участвовавшие в этой разработке, подчеркивают, что успех проекта был обусловлен прежде всего исключительным междисциплинарным сотрудничеством между различными исследовательскими институтами в Йене. На основе исследований тюрингской исследовательской группы «2D-Sens» и Центра совместных исследований «Нелинейная оптика вплоть до атомных масштабов» Университета Фридриха Шиллера, экспертов из Института прикладной физики и Института физической химии Йенского университета; Университетский центр фотоники Аббе; Институт прикладной оптики и точного машиностроения им. Фраунгофера IOF; и Институт фотонных технологий им. Лейбница сотрудничают в этом исследовании вместе с коллегами из Австралии

«Мы вложили в этот проект разносторонний опыт и очень довольны достигнутыми результатами», – говорит Эйленбергер. «Мы убеждены, что технология, которую мы разработали, еще больше укрепит штат Тюрингия как промышленный центр с акцентом на фотонику и оптоэлектронику», добавляет Турчанин. Недавно была подана заявка на патент на изобретение междисциплинарной группы

Источник: http://www.uni-jena.de/