Sinds de Nobelprijs voor de Natuurkunde werd toegekend voor onderzoek naar grafeen in 2010, 2D-materialen - nanoplaten met atomaire dikte - zijn 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. Bijvoorbeeld, gecombineerd met optische vezels, 2-D materialen kunnen nieuwe toepassingen mogelijk maken op het gebied van sensoren, niet-lineaire optica, en kwantumtechnologieën.

Echter, het combineren van deze twee componenten is tot dusver zeer omslachtig geweest. Typisch, de atomair dunne lagen moesten afzonderlijk worden geproduceerd voordat ze met de hand op de optische vezel werden overgebracht. Samen met Australische collega's, Onderzoekers van Jena zijn er nu voor het eerst in geslaagd om 2D-materialen rechtstreeks op optische vezels te kweken. Deze benadering vergemakkelijkt de productie van dergelijke hybriden aanzienlijk. De resultaten van het onderzoek zijn onlangs gepubliceerd in het gerenommeerde tijdschrift over materiaalkunde Geavanceerde materialen .

Groei door een technologisch relevante procedure

"We hebben overgangsmetaal dichalcogeniden geïntegreerd - een 2D-materiaal met uitstekende optische en fotonische eigenschappen, die, bijvoorbeeld, heeft een sterke wisselwerking met licht—in speciaal ontwikkelde glasvezels, " legt Dr. Falk Eilenberger van de Universiteit van Jena en het Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering (IOF) in Duitsland uit. "In tegenstelling tot in het verleden, we hebben de halve nanometer dikke plaat niet handmatig aangebracht, maar kweekte het direct op de vezel, " zegt Eilenberger, een specialist op het gebied van nanofotonica. "Deze verbetering betekent dat het 2D-materiaal gemakkelijker en op grotere schaal in de vezel kan worden geïntegreerd. Ook hebben we kunnen laten zien dat het licht in de glasvezel een sterke wisselwerking heeft met de coating." De stap naar een praktische toepassing van het aldus ontstane intelligente nanomateriaal is niet meer zo ver weg.

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

Hybride materiaalplatform

Ondanks deze hoge temperatuur de optische vezels kunnen worden gebruikt voor de directe CVD-groei:"Het pure kwartsglas dat als substraat dient, is uitstekend 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 heeft voor glasvezel aan de Universiteit van Jena.

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

Sensoren en niet-lineaire lichtconverters

Het team overweegt mogelijke toepassingen voor het nieuw ontwikkelde materialensysteem op twee specifieke gebieden. Ten eerste, the materials combination is very promising for sensor technology. It could be used, bijvoorbeeld, to detect low concentrations of gasses. Hiertoe, 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.

Ten tweede, 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.