08.10.2020

2D-Materialien wachsen auf optischen Fasern

Hybride Nanomaterialien für flexibel einsetzbare Wellenleiter.

In Kombination mit Lichtwellen­leitern ermöglichen 2D-Materialien mit herausragenden optischen Eigenschaften ganz neue Anwendungen im Bereich der Sensorik, der nichtlinearen Optik und der Quanten­elektronik. Allerdings war es bisher sehr aufwendig, 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.

Abb.: Dok­torand Quyet Ngo untersucht optische Fasern, die durch...
Abb.: Dok­torand Quyet Ngo untersucht optische Fasern, die durch 2D-Materialien funk­tionalisiert wurden. (Bild: J. Meyer, U. Jena)

„Wir haben Übergangs­metall-Dichalkogenide – ein 2D-Material mit exzellenten optischen und photonischen Eigenschaften, das beispielsweise sehr stark mit Licht wechsel­wirkt – in speziell entwickelte Glasfasern integriert“, sagt Falk Eilen­berger von der Universität Jena. „Anders als bisher haben wir die einen halben Nanometer dicke Schicht allerdings 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 groß­flächiger aufgebracht werden. Zudem konnten wir nachweisen, dass das Licht in der Glasfaser mit seiner Beschich­tung interagiert.“ Der Schritt zur praktischen Anwendung sei für das so entstandene intelligente Nano­material nicht mehr sehr weit. 

Verantwortlich für den Erfolg ist ein eigens entwickeltes Wachstums­verfahren, das bisherige Hürden überwindet. „Durch eine Analyse und Kontrolle aller Wachstums­parameter haben wir genau die Stellschrauben identi­fiziert, an denen wir drehen müssen, um das 2D-Material auf den Fasern, die als Substrat dienen, wachsen zu lassen“, erklärt Andrey Turchanin die Ausgangssituation für die Methode, die auf der chemischen Gasphasen­abscheidung beruht. Unter anderem ist dabei eine Temperatur von rund 700 Grad Celsius erforderlich. Deshalb eignen sich die Fasern besonders gut als Träger: „Das reine Quarzglas, das als Substrat dient, hält die hohen Temperaturen hervorragend aus. Es ist hitze­beständig bis 2.000 Grad Celsius“, sagt Markus A. Schmidt von Leibniz-Institut für Photonische Techno­logien, der die Faser entwickelt hat. „Ihr geringer Durchmesser und ihre Biegsamkeit machen sie zu flexibel einsetzbaren Lichtwellen­leitern“, betont Schmidt.

Aus der Verbindung von 2D-Material und Glasfaser ist somit eine intelligente Material­plattform entstanden, die das Beste aus zwei Welten zusammenführt. „Aufgrund der Funk­tionalisierung der Glasfaser mit dem 2D-Material wird die Interaktions­länge zwischen Licht und Material nun deutlich erhöht“, sagt Antony George, der gemeinsam mit Turchanin die Herstellungs­methode der neuartigen 2D-Materialien entwickelt hat. Mögliche Anwendungen für das System sieht das Team vor allem in zwei Bereichen: Zum einen eignet sich die Kombination hervorragend für die Sensor­technik. So könnten 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 äußeren Einflüsse die Fluoreszenz­eigenschaften des 2D-Materials ändern, wechselt das Licht die Farbe und kehrt als rotes Licht zu einem Messgerät zurück. Da die Fasern sehr klein sind, empfehlen sich Sensoren auf dieser Basis möglicherweise auch für Anwendungen in der Biotechnologie oder der Medizin.

Zum anderen könnte ein solches System auch als nichtlinearer Licht­konverter eingesetzt werden. Mit einer solchen optischen Faser kann man aufgrund ihrer nicht­linearen Eigenschaften einen Laser zu Weißlicht konvertieren und dann bei spektro­skopischen Untersuchungs­methoden in der Biologie oder Chemie einsetzen. Weitere Anwendungs­gebiete sehen die Jenaer Forscher etwa auch im Bereich der Quanten­elektronik und Quanten­kommunikation. Die Erfindung des inter­disziplinären Teams wurde kürzlich zum Patent angemeldet.

U. Jena / JOL

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