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Doktorand Quyet Ngo untersucht optische Fasern, die durch 2D-Materialien funktionalisiert wurden.

电玩城捕鱼 Nanomaterialien für Photonik

Physiker und Chemiker der Universit?t Jena funktionalisieren optische Fasern mit 2D-Materialien
Doktorand Quyet Ngo untersucht optische Fasern, die durch 2D-Materialien funktionalisiert wurden.
Foto: Jens Meyer (Universit?t Jena)
  • Light
  • Forschung

Meldung vom: 07. Oktober 2020, 09:15 Uhr | Verfasser/in: Sebastian Hollstein

Sp?testens seitdem der Physik-Nobelpreis 2010 für die Erforschung von Graphen verliehen wurde, stehen 2D-Materialien im Fokus der Wissenschaft. Denn diese Stof?fe, die nur aus einer Lage von Atomen bestehen, bieten aufgrund ihrer geringen Dicke und viel?seitigen Eigenschaften gro?es Potenzial für Anwendungen auf ganz unterschiedlichen Gebieten. In Kombination mit Lichtwellenleitern beispielsweise erm?glichen 2D-Materialien mit herausragenden optischen Eigenschaften ganz neue Anwendungen im Bereich der Sen?sorik, der nichtlinearen Optik und der Quantenelektronik. Allerdings war es bisher sehr auf?wendig, die beiden Komponenten zusammenzubringen. Denn die hauchdünnen Schichten mussten in der Regel separat produziert und dann per Hand auf den Wellenleiter transferiert werden. Jenaer Forschenden ist es jetzt gemeinsam mit australischen Kollegen gelungen, erstmals 2D-Materialien direkt auf optischen Fasern wachsen zu lassen. Das vereinfacht die Herstellung solcher hybriden Nanomaterialien signifikant. ?ber ihre Ergebnisse berichtet das Team im Forschungsjournal ?Advanced Materials“.

Wachstum in einem technologisch relevanten Verfahren

?Wir haben ?bergangsmetall-Dichalkogenide – ein 2D-Material mit exzellenten optischen und photonischen Eigenschaften, das beispielsweise sehr stark mit Licht wechselwirkt – in speziell entwickelte Glasfasern integriert“, erkl?rt Dr. Falk Eilenberger von der Univer?sit?t Jena. ?Anders als bisher haben wir die einen halben Nanometer dicke Schicht aller?dings nicht manuell aufgetragen, sondern direkt auf der Faser wachsen lassen“, so der Spezialist im Bereich der Nanophotonik. ?Das bedeutet, das 2D-Material kann mit weniger Aufwand und weitaus gro?fl?chiger aufgebracht werden. Zudem konnten wir nachweisen, dass das Licht in der Glasfaser mit seiner Beschichtung interagiert.“ Der Schritt zur prak?tischen Anwendung sei für das so entstandene intelligente Nanomaterial nicht mehr sehr weit.

Verantwortlich für den Erfolg ist ein eigens am Institut für Physikalische Chemie der Uni?ver?sit?t Jena entwickeltes Wachstumsverfahren, das bisherige Hürden überwindet. ?Durch eine Analyse und Kontrolle aller Wachstumsparameter haben wir genau die Stellschrau?ben identifiziert, an denen wir drehen müssen, um das 2D-Material auf den Fasern, die als Substrat dienen, wachsen zu lassen“, erkl?rt der Jenaer Graphen-Experte Prof. Dr. Andrey Turchanin die Ausgangs?situation für die Methode, die auf der chemischen Gasphasenab?scheidung beruht. Unter anderem ist dabei eine Temperatur von rund 700 Grad Celsius erforderlich.?

Hybride Materialplattform

Deshalb eignen sich die Fasern besonders gut als Tr?ger: ?Das reine Quarzglas, das als Substrat dient, h?lt die hohen Temperaturen hervorragend aus. Es ist hitzebest?ndig bis 2.000 Grad Celsius“, informiert Prof. Dr. Markus A. Schmidt von Leibniz-Institut für Pho?tonische Technologien, der die Faser entwickelt hat. ?Ihr geringer Durchmesser und ihre Biegsamkeit machen sie zu flexibel einsetzbaren Lichtwellenleitern“, betont Schmidt, der auch eine Stiftungsprofessur für Faseroptik an der Universit?t Jena innehat.

Aus der Verbindung von 2D-Material und Glasfaser ist somit eine intelligente Materialplatt?form entstanden, die das Beste aus zwei Welten zusammenführt. ?Aufgrund der Funktio?na??li?sierung der Glasfaser mit dem 2D-Material wird die Interaktionsl?nge zwischen Licht und Material nun deutlich erh?ht“, sagt Dr. Antony George, der gemeinsam mit Turchanin die Herstellungsmethode der neuartigen 2D-Materialien entwickelt hat.

Sensorik und nichtlineare Lichtkonverter

M?gliche Anwendungen für das System sieht das Team vor allem in zwei Bereichen: Zum einen eignet sich die Kombination hervorragend für die Sensortechnik. So k?nnten damit etwa Gaskonzentrationen gemessen werden, indem grünes Licht über die Faser in einen Raum geführt wird und dort dann an den durch das 2D-Material funktionalisierten Stellen die Informationen der Umgebung aufnimmt. Da sich durch die ?u?eren Einflüsse die Fluo?reszenzeigenschaften des 2D-Materials ?ndern, wechselt das Licht die Farbe und kehrt als rotes Licht zu einem Messger?t zurück. Da die Fasern sehr klein sind, empfehlen sich Sen?soren auf dieser Basis m?glicherweise auch für Anwendungen in der Biotechnologie oder der Medizin.

Zum anderen k?nnte ein solches System auch als nichtlinearer Lichtkonverter eingesetzt werden. Mit einer solchen optischen Faser kann man aufgrund ihrer nichtlinearen Eigen?schaften einen Laser zu Wei?licht konvertieren und dann bei spektroskopischen Untersu?chungsmethoden in der Biologie oder Chemie einsetzen. Weitere Anwendungsgebiete sehen die Jenaer Forscherinnen und Forscher etwa auch im Bereich der Quantenelek?tronik und Quantenkommunikation.

Herausragende interdisziplin?re Kooperation

Als elementare Voraussetzung für das erfolgreiche Projekt betonen die beteiligten Wis?senschaftlerinnen und Wissenschaftler die herausragende interdisziplin?re Kooperation zwischen verschiedenen Jenaer Forschungseinrichtungen. Ausgehend von der Thüringer Forschergruppe ?2D-Sens“ und vom Sonderforschungsbereich ?Nonlinear Optics down to Atomic Scales“ der Friedrich-Schiller-Universit?t arbeiteten hier Experten des Instituts für Angewandte Physik der Uni Jena, des Abbe Center of Photonics der Uni Jena, des Fraun?hofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien zusammen. ?Wir haben sehr fokussiert ganz verschiedene Ex?per?tisen zusammengebracht und freuen uns über das bahnbrechende Ergebnis, das aus dieser Arbeit hervorgegangen ist“, sagt Eilenberger. ?Au?erdem sehen wir in dem neuen Verfahren eine weitere St?rkung des Industriestandorts Thüringen und seiner optoelektro?nischen Ausrichtung“, erg?nzt sein Kollege Turchanin. Die Erfindung des interdisziplin?ren Teams wurde kürzlich zum Patent angemeldet.

Information

Original-Publikation:
G. Quyet Ngo , A. George, R. T. K. Schock, A. Tuniz, E. Najafidehaghani, Z. Gan, N. C. Geib, T. Bucher, H. Knopf, S. Saravi, Chr. Neumann, T. Lühder, E. P. Schartner, S. C. Warren-Smith, H. Ebendorff-Heidepriem, Th. Pertsch, Markus A. Schmidt, A. Turchanin, F. Eilenberger (2020): Scalable functionalization of optical fibers using atomically thin semiconductors, Advanced Materials, https://doi.org/10.1002/adma.202003826

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Falk Eilenberger, Dr.
Telefon
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Fax
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