Intelligente nanomaterialen voor fotonica

Sinds de Nobelprijs voor natuurkunde werd toegekend voor onderzoek naar grafeen in 2010, zijn 2-D-materialen – nanobladen met atoomdikte – een hot topic in de wetenschap. Deze aanzienlijke interesse is te danken aan hun uitstekende eigenschappen, die een enorm potentieel hebben voor een breed scala aan toepassingen. In combinatie met optische vezels kunnen 2-D-materialen bijvoorbeeld nieuwe toepassingen mogelijk maken op het gebied van sensoren, niet-lineaire optica en kwantumtechnologieën.

Het combineren van deze twee componenten was tot dusver echter zeer bewerkelijk. Meestal moesten de atomair dunne lagen afzonderlijk worden geproduceerd voordat ze met de hand op de optische vezel werden overgebracht. Samen met Australische collega’s zijn Jena-onderzoekers er nu voor het eerst in geslaagd om 2-D-materialen rechtstreeks op optische vezels te laten groeien. Deze benadering vergemakkelijkt de fabricage van dergelijke hybriden aanzienlijk. De resultaten van het onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift over materiaalkunde Geavanceerde materialen.

Groei via een technologisch relevante procedure

“We hebben overgangsmetaaldichalcogeniden, een 2D-materiaal met uitstekende optische en fotonische eigenschappen, dat bijvoorbeeld sterk interageert met licht, geïntegreerd in speciaal ontwikkelde glasvezels”, legt dr. Falk Eilenberger van de Universiteit van Jena en het Fraunhofer Instituut uit. voor Applied Optics and Precision Engineering (IOF) in Duitsland. “In tegenstelling tot vroeger hebben we de half nanometer dikke plaat niet handmatig aangebracht, maar direct op de vezel gegroeid”, zegt Eilenberger, specialist op het gebied van nanofotonica. “Door deze verbetering kan het 2-D materiaal gemakkelijker en op grote schaal in de vezel worden geïntegreerd. Ook hebben we kunnen aantonen dat het licht in de glasvezel sterk interageert met de coating.” De stap naar een praktische toepassing van het zo ontstane intelligente nanomateriaal is niet ver weg meer.

Het succes is bereikt dankzij een groeiproces dat is ontwikkeld aan het Instituut voor Fysische Chemie van de Universiteit van Jena, dat eerdere hindernissen overwint. “Door de groeiparameters te analyseren en te controleren, hebben we de omstandigheden geïdentificeerd waaronder het 2-D-materiaal direct in de vezels kan groeien”, zegt Jena 2-D-materiaalexpert prof. Andrey Turchanin, die de methode uitlegt op basis van chemische dampafzetting (CVD ) technieken. Voor de 2-D materiaalgroei is onder andere een temperatuur van meer dan 700 graden Celsius nodig.

Platform van hybride materiaal

Ondanks deze hoge temperatuur kunnen de optische vezels worden gebruikt voor de directe CVD-aangroei: “Het zuivere kwartsglas dat dient als substraat is extreem goed bestand tegen de hoge temperaturen. Het is hittebestendig tot 2.000 graden Celsius”, zegt prof. Markus. A. Schmidt van het Leibniz Institute of Photonic Technology, die de vezels heeft ontwikkeld. “Hun kleine diameter en flexibiliteit maken een verscheidenheid aan toepassingen mogelijk”, voegt Schmidt toe, die ook een bijzonder hoogleraarschap voor glasvezel aan de Universiteit van Jena bekleedt.

De combinatie van 2-D materiaal en glasvezel heeft zo een intelligent materiaalplatform gecreëerd dat het beste van twee werelden combineert. “Dankzij de functionalisatie van de glasvezel met het 2D-materiaal is de interactielengte tussen licht en materiaal nu aanzienlijk vergroot”, zegt Dr. Antony George, die samen de productiemethode voor de nieuwe 2D-materialen ontwikkelt. met Turchanin.

Sensoren en niet-lineaire lichtomvormers

Het team ziet mogelijke toepassingen voor het nieuw ontwikkelde materiaalsysteem op twee specifieke gebieden. Ten eerste is de materiaalcombinatie veelbelovend voor sensortechnologie. Het zou bijvoorbeeld kunnen worden gebruikt om lage concentraties gassen te detecteren. Daartoe pikt een groen licht dat door de vezel wordt gestuurd, informatie op uit de omgeving in de vezelgebieden die zijn gefunctionaliseerd met het 2D-materiaal. Omdat invloeden van buitenaf de fluorescerende eigenschappen van het 2D-materiaal veranderen, verandert het licht van kleur en keert het terug naar een meetapparaat als rood licht. Omdat de vezels erg fijn zijn, kunnen sensoren op basis van deze technologie ook geschikt zijn voor toepassingen in de biotechnologie of geneeskunde.

Ten tweede zou een dergelijk systeem ook kunnen worden gebruikt als een niet-lineaire lichtomvormer. Vanwege zijn niet-lineaire eigenschappen kan de hybride optische vezel worden gebruikt om monochromatisch laserlicht om te zetten in wit licht voor spectroscopietoepassingen in de biologie en chemie. De Jena-onderzoekers zien ook toepassingen op het gebied van kwantumelektronica en kwantumcommunicatie.

Uitzonderlijke interdisciplinaire samenwerking

De bij deze ontwikkeling betrokken wetenschappers benadrukken dat het succes van het project vooral te danken is aan de uitzonderlijke interdisciplinaire samenwerking tussen verschillende onderzoeksinstituten in Jena. Gebaseerd op de Thüringer onderzoeksgroep “2-D-Sens” en het Collaborative Research Center “Nonlinear Optics down to Atomic Scales” van de Friedrich Schiller Universiteit, experts van het Instituut voor Toegepaste Fysica en het Instituut voor Fysische Chemie van de Universiteit van Jena; het Abbe Center of Photonics van de universiteit; het Fraunhofer Instituut voor Toegepaste Optica en Precisietechniek IOF; en het Leibniz Institute of Photonic Technology werken samen met collega’s in Australië aan dit onderzoek.

“We hebben diverse expertise in dit project ingebracht en we zijn verheugd met de behaalde resultaten”, zegt Eilenberger. “We zijn ervan overtuigd dat de technologie die we hebben ontwikkeld, de staat Thüringen als industrieel centrum verder zal versterken met zijn focus op fotonica en opto-elektronica”, voegt Turchanin toe. Onlangs is een octrooiaanvraag ingediend voor de uitvinding van het interdisciplinaire team.