Depuis que le prix Nobel de physique a été décerné pour la recherche sur le graphène en 2010, Les matériaux 2D, les nanofeuilles d'épaisseur atomique, ont été un sujet brûlant en science. Cet intérêt important est dû à leurs propriétés exceptionnelles, qui ont un potentiel énorme pour une grande variété d'applications. Par exemple, combiné avec des fibres optiques, Les matériaux 2D peuvent permettre de nouvelles applications dans les domaines des capteurs, optique non linéaire, et les technologies quantiques.

Cependant, la combinaison de ces deux composants a été jusqu'à présent très laborieuse. Typiquement, les couches atomiquement minces devaient être réalisées séparément avant d'être transférées à la main sur la fibre optique. Avec des collègues australiens, Les chercheurs d'Iéna ont réussi pour la première fois à faire croître des matériaux 2D directement sur des fibres optiques. Cette approche facilite considérablement la fabrication de tels hybrides. Les résultats de l'étude ont été publiés récemment dans la célèbre revue sur la science des matériaux. Matériaux avancés .

Croissance grâce à une procédure technologiquement pertinente

« Nous avons intégré des dichalcogénures de métaux de transition, un matériau 2D doté d'excellentes propriétés optiques et photoniques, lequel, par exemple, interagit fortement avec la lumière - en fibres de verre spécialement développées, " explique le Dr Falk Eilenberger de l'Université d'Iéna et de l'Institut Fraunhofer d'optique appliquée et d'ingénierie de précision (IOF) en Allemagne. " Contrairement au passé, nous n'avons pas appliqué manuellement la tôle d'un demi-nanomètre, mais l'a fait pousser directement sur la fibre, " dit Eilenberger, spécialiste dans le domaine de la nanophotonique. « Cette amélioration signifie que le matériau 2D peut être intégré plus facilement et à grande échelle dans la fibre. Nous avons également pu montrer que la lumière dans la fibre de verre interagit fortement avec son revêtement. L'étape vers une application pratique du nanomatériau intelligent ainsi créé n'est plus très loin.

Le succès a été obtenu grâce à un processus de croissance développé à l'Institut de chimie physique de l'Université d'Iéna, qui surmonte les obstacles précédents. « En analysant et en contrôlant les paramètres de croissance, nous avons identifié les conditions dans lesquelles le matériau 2D peut directement croître dans les fibres, " déclare le professeur Andrey Turchanin, expert en matériaux 2-D de Jena, expliquer la méthode basée sur les techniques de dépôt chimique en phase vapeur (CVD). Entre autres, une température de plus de 700 degrés Celsius est nécessaire pour la croissance du matériau en 2D.

Plateforme de matériaux hybrides

Malgré cette température élevée, les fibres optiques peuvent être utilisées pour la croissance CVD directe :« Le verre de quartz pur qui sert de substrat résiste extrêmement bien aux températures élevées. Il résiste à la chaleur jusqu'à 2, 000 degrés Celsius, " déclare le professeur Markus A. Schmidt du Leibniz Institute of Photonic Technology, qui a développé les fibres. « Leur petit diamètre et leur flexibilité permettent une grande variété d'applications, " ajoute Schmidt, qui détient également une chaire dotée de fibre optique à l'Université d'Iéna.

La combinaison du matériau 2D et de la fibre de verre a ainsi créé une plate-forme matérielle intelligente qui combine le meilleur des deux mondes. « En raison de la fonctionnalisation de la fibre de verre avec le matériau 2-D, la longueur d'interaction entre la lumière et la matière a maintenant été considérablement augmentée, " dit le Dr Antony George, qui développe la méthode de fabrication des nouveaux matériaux 2D avec Turchanin.

Capteurs et convertisseurs de lumière non linéaires

L'équipe envisage des applications potentielles pour le système de matériaux nouvellement développé dans deux domaines particuliers. Premièrement, la combinaison de matériaux est très prometteuse pour la technologie des capteurs. Il pourrait être utilisé, par exemple, pour détecter de faibles concentrations de gaz. À cette fin, 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.

Deuxièmement, 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.