2D材料直接在光纤上生长

二维材料功能化的光纤。Jens Meyer(University of Jena)供图。

来自德国和澳大利亚的研究人员首次在光纤上直接生长二维材料，创造了一个新的混合平台，可以应用于大量的光电子器件，包括光电探测器和非线性光转换器。他们的工作由University of Jena 的Falk Eilenberger、Andrey Turchanin和Antony George，以及来自Leibniz Institute of Photonic Technology的Markus A. Schmidt领导，主要研究一系列被称为过渡金属硫族化合物的晶体。这些材料的化学式为MX2，其中M 是过渡金属，如钼或钨，X是氧属元素比如硫、硒或碲。TMDCs的三维晶体形态是间接带隙半导体。然而，当其缩小到单层厚度时，它们就像直接带隙半导体一样，能够高效地吸收和发射光。

这一特性意味着，2D 形式的TMDCs是发光二极管、激光器、光电探测器和太阳能电池等器件的有用组成部件。它们还可用于制造低功耗电子器件、传感器或柔性电子器件。如果将它们与光纤结合会在非线性光学器件和量子技术中得到进一步的应用。但这里有一个问题: 将脆弱的、原子级的材料层转移到光纤上远非易事。直到现在，这项工作必须手动一层一层辛苦地完成。

两个领域的最佳

这个团队包括来自Sydney Nano, the Fraunhofer Institute for Applied Optics and Precision Engineering IOF和University of Adelaide的科学家。他们为2D TMDCs开发了一种新的生长工艺，从而实现了这一突破。“通过分析和控制生长参数，我们确定了2D 材料可以直接在光纤中生长的工艺条件，”Turchanin 解释说。“这项技术是基于化学气相沉积技术在700°C 的温度下进行的。虽然温度很高，但不会影响光纤的性能，因为光纤的耐热性可达2000°C。”

George说，这种混合平台“结合了两个领域的最佳”。他解释说，薄层TMDCs和平面衬底，意味着光和物质相互作用的长度通常限制在一纳米之内。这种短距离的相互作用减少了TMDCs的光学响应和可能的应用类型。虽然将TMDCs与光学谐振器耦合可以增强光物质之间的相互作用，但这种策略仅限于窄带共振。也就是说，宽带超快操作仍然具有挑战性。相比之下，将TMDCs直接集成到波导或光纤上会大大增加相互作用的长度，甚至对于宽带光来说也是如此。

虽然对于大规模的应用，之前工艺集成的尝试被证明是不可行的，但是这项新技术克服了这个限制。直接在光纤上生长2D 材料是一个可扩展的过程。也就是说，它将光纤转变成2D功能化波导，并在大约20微米直径，几厘米长的光纤内部生长出高质量TMDC 晶体薄膜。

潜在应用领域

根据研究小组的说法，新的混合系统可以在两个主要领域得到应用。第一个是气体感测。在这里，TMDC 的发光特性会随着气体被功能化光纤吸收而改变，导致纤维中光的颜色发生变化。研究人员表示，由于这种光纤非常薄，基于这种技术的气体传感器可以适用于生物技术或医学应用。

另一种可能的应用是将这种复合光纤用作非线性光学转换器，能够将激光脉冲转换成白光用于光谱学。Jena 的研究人员还提到量子电子学和量子通信的应用。Eilenberger告诉Physics World ，“这些应用将利用TMDCs 在点缺陷周围形成单光子发射点的特点，或者利用其巨大的非线性自发参量转换。”

研究人员在《Advanced Materials》上报告了他们的工作，他们将研究成果归功于高度跨学科团队的“多样化的专业知识”。他们已经为他们的研究成果提交了专利申请，他们计划通过调整光纤的几何形状来优化光与物质的相互作用，然后在他们的平台上展示其在传感领域的应用。