Intelligente Nanomaterialien für Photonik

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“.

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.

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.