Этот значительный интерес обусловлен их выдающимися свойствами, которые имеют огромный потенциал для широкого спектра применений. Например, в сочетании с оптическими волокнами 2D-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 выращивать 2D-материалы непосредственно на оптических волокнах. Такой подход значительно облегчает производство таких гибридов. Результаты исследования были опубликованы недавно в журнале материаловедения Advanced Materials.
Рост за счет технологически актуальной 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 д-р Фальк Эйленбергер из Йенского университета и Института Фраунгофера. Прикладная оптика и точное машиностроение (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 улучшение означает, что 2D-материал может быть легче интегрирован в волокно в больших масштабах.
Мы также смогли показать, что свет в стекловолокне сильно взаимодействует с его покрытием."Шаг к практическому применению созданного таким образом интеллектуального наноматериала уже не за горами.
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 эксперт по 2D-материалам Jena Prof. Андрей Турчанин, объясняя метод, основанный на методах химического осаждения из паровой фазы (CVD).
Помимо прочего, для роста 2D-материала необходима температура выше 700 градусов Цельсия.
Платформа гибридного материала
Несмотря на такую высокую температуру, оптические волокна можно использовать для прямого выращивания методом химического осаждения из паровой фазы: «Чистое кварцевое стекло, которое служит подложкой, очень хорошо выдерживает высокие температуры. Он устойчив к температуре до 2000 градусов Цельсия », – говорит профессор.
Маркус А. Шмидт из Института фотонных технологий им. Лейбница, 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.
Таким образом, сочетание 2D-материала и стекловолокна позволило создать интеллектуальную материальную платформу, сочетающую в себе лучшее из обоих миров. «Благодаря функционализации стекловолокна с 2D-материалом длина взаимодействия между светом и материалом теперь значительно увеличена», – говорит доктор Энтони Джордж, который вместе с Турчаниным разрабатывает метод производства новых 2D-материалов.
Датчики и нелинейные преобразователи света
Команда рассматривает потенциальные возможности 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, такую систему можно было бы использовать и как нелинейный преобразователь 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 в первую очередь обусловлен 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 совместно с коллегами из Австралии работают над этим исследованием.
«Мы вложили в этот проект разносторонний опыт и очень довольны достигнутыми результатами», – говорит Эйленбергер. «Мы убеждены, что разработанные нами технологии еще больше укрепят штат Тюрингии как промышленного центра с акцентом на фотонику и оптоэлектронику», – добавляет Турчанин.
Недавно подана заявка на патент на изобретение междисциплинарной группы.