Spätestens seitdem der Physik-Nobelpreis 2010 für die Erforschung von Graphen verliehen wurde, stehen 2D-Materialien im Fokus der Wissenschaft. Denn diese Stoffe, die nur aus einer Lage von Atomen bestehen, bieten aufgrund ihrer geringen Dicke und vielseitigen Eigenschaften großes Potenzial für Anwendungen auf ganz unterschiedlichen Gebieten. In Kombination mit Lichtwellenleitern beispielsweise 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. Über ihre Ergebnisse berichtet das Team im Forschungsjournal „Advanced Materials“.

Physiker und Chemiker der Universität Jena funktionalisieren optische Fasern mit 2D-Materialien

Wachstum in einem technologisch relevanten Verfahren

„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“, erklärt Dr. 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 am Institut für Physikalische Chemie der Universität Jena 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 der Jenaer Graphen-Experte Prof. Dr. 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.

Hybride Materialplattform

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“, informiert Prof. Dr. 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, der auch eine Stiftungsprofessur für Faseroptik an der Universität Jena innehat.

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 Dr. Antony George, der gemeinsam mit Turchanin die Herstellungsmethode der neuartigen 2D-Materialien entwickelt hat.

Sensorik und nichtlineare Lichtkonverter

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.

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

Der vietnamesische Doktorand Quyet Ngo aus der Forschergruppe “Photonik in 2D-Materialien“ untersucht während eines Experimentes am Institut für Angewandte Physik (IAP), Institute of Apllied Physics, der Friedrich-Schiller-Universität Jena in Jena, optische Fasern, die durch zweidimensionale Materialien funktionalisiert wurden. In einer interdisziplinären Zusammenarbeit konnte ein Team aus Jena und Australien zeigen, dass zweidimensionale Halbleiterkristalle direkt auf optischen Fasern wachsen und mit Licht in der Faser wechselwirken. Die Forscher zeigen damit neue Wege zu optischen Fasersensoren und nichtlinearen Lichtkonvertern auf. Foto: Jens Meyer/Universität Jena

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 Forscherinnen und Forscher etwa auch im Bereich der Quantenelektronik und Quantenkommunikation.

Herausragende interdisziplinäre Kooperation

Als elementare Voraussetzung für das erfolgreiche Projekt betonen die beteiligten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler die herausragende interdisziplinäre Kooperation zwischen verschiedenen Jenaer Forschungseinrichtungen. Ausgehend von der Thüringer Forschergruppe „2D-Sens“ und vom Sonderforschungsbereich „Nonlinear Optics down to Atomic Scales“ der Friedrich-Schiller-Universität arbeiteten hier Experten des Instituts für Angewandte Physik der Uni Jena, des Abbe Center of Photonics der Uni Jena, des Fraunhofer-Instituts für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF sowie des Leibniz-Instituts für Photonische Technologien zusammen. „Wir haben sehr fokussiert ganz verschiedene Expertisen zusammengebracht und freuen uns über das bahnbrechende Ergebnis, das aus dieser Arbeit hervorgegangen ist“, sagt Eilenberger. „Außerdem sehen wir in dem neuen Verfahren eine weitere Stärkung des Industriestandorts Thüringen und seiner optoelektronischen Ausrichtung“, ergänzt sein Kollege Turchanin. Die Erfindung des interdisziplinären Teams wurde kürzlich zum Patent angemeldet.

Original-Publikation:

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, DOI: 10.1002/adma.202003826

Info, FSU Jena // Axel Burchardt

Fotografik, Jens Meyer (Universität Jena)