Sedan Nobelpriset i fysik delades ut för forskning om grafen 2010, 2D-material - nanoskivor med atomtjocklek - har varit ett hett ämne inom vetenskapen. Detta betydande intresse beror på deras enastående egenskaper, som har enorm potential för en mängd olika tillämpningar. Till exempel, kombinerat med optiska fibrer, 2D-material kan möjliggöra nya tillämpningar inom områdena sensorer, icke-linjär optik, och kvantteknik.

Dock, Att kombinera dessa två komponenter har hittills varit mycket mödosamt. Vanligtvis, de atomärt tunna skikten måste tillverkas separat innan de överfördes för hand till den optiska fibern. Tillsammans med australiensiska kollegor, Jena-forskare har nu för första gången lyckats odla 2D-material direkt på optiska fibrer. Detta tillvägagångssätt underlättar avsevärt tillverkningen av sådana hybrider. Resultaten av studien rapporterades nyligen i den berömda tidskriften om materialvetenskap Avancerade material .

Tillväxt genom ett tekniskt relevant förfarande

"Vi integrerade övergångsmetalldikalkogenider - ett 2D-material med utmärkta optiska och fotoniska egenskaper, som, till exempel, interagerar starkt med ljus - till specialutvecklade glasfibrer, " förklarar Dr. Falk Eilenberger från University of Jena och Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering (IOF) i Tyskland. "Till skillnad från tidigare, vi applicerade inte det halvnanometertjocka arket manuellt, men odlade det direkt på fibern, säger Eilenberger, en specialist inom området nanofotonik. "Denna förbättring gör att 2D-materialet lättare och i stor skala kan integreras i fibern. Vi kunde också visa att ljuset i glasfibern starkt samverkar med dess beläggning." Steget till en praktisk tillämpning av det intelligenta nanomaterialet som på så sätt skapas är inte längre särskilt långt borta.

Framgången har uppnåtts tack vare en tillväxtprocess utvecklad vid Institute of Physical Chemistry vid University of Jena, som övervinner tidigare hinder. "Genom att analysera och kontrollera tillväxtparametrarna, vi identifierade de förhållanden vid vilka 2D-materialet direkt kan växa i fibrerna, " säger Jena 2-D materialexpert Prof. Andrey Turchanin, förklara metoden baserad på tekniker för kemisk ångavsättning (CVD). Bland annat, en temperatur på över 700 grader Celsius är nödvändig för 2D-materialets tillväxt.

Hybrid materialplattform

Trots denna höga temperatur, de optiska fibrerna kan användas för den direkta CVD-tillväxten:"Det rena kvartsglaset som fungerar som substrat tål de höga temperaturerna extremt bra. Det är värmebeständigt upp till 2, 000 grader Celsius, " säger prof. Markus A. Schmidt från Leibniz Institute of Photonic Technology, som utvecklade fibrerna. "Deras lilla diameter och flexibilitet möjliggör en mängd olika applikationer, " tillägger Schmidt, som också innehar en begåvad professur för fiberoptik vid universitetet i Jena.

Kombinationen av 2D-material och glasfiber har därmed skapat en intelligent materialplattform som kombinerar det bästa av två världar. "På grund av funktionaliseringen av glasfibern med 2D-materialet, interaktionslängden mellan ljus och material har nu ökat betydligt, " säger Dr Antony George, som utvecklar tillverkningsmetoden för de nya 2D-materialen tillsammans med Turchanin.

Sensorer och icke-linjära ljusomvandlare

Teamet tänker sig potentiella tillämpningar för det nyutvecklade materialsystemet inom två särskilda områden. För det första, materialkombinationen är mycket lovande för sensorteknik. Den skulle kunna användas, till exempel, to detect low concentrations of gasses. För detta ändamål, 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.

För det andra, 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.