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超強激光科學卓越創新簡報

(第四十二期)

2019年9月4日

上海光機所在微生物合成Te納米材料及其非線性光學應用方面取得重要進展

  近期,上海光机所微納光電子功能材料實驗室王俊研究员团队、激光與紅外材料實驗室張龍研究员团队等与国内外机构合作,揭示了微生物合成Te纳米材料及其共轭聚合物复合材料优异的超快非线性光学特性,证实了其在超短脉冲产生、全光开关等领域的重要应用潜力,该项研究展示出微生物合成技术在光子功能材料领域的优势和特点。相关論文发表在[Nature Communications, 10, 3985 (2019)]。 

  近年来从远程通讯、显示照明技术、可再生能源、生物医药传感器的发展趋势来看,光电技术在上述领域的应用起到不可或缺的作用。当前多数光电子器件基于无机半导体材料如 GaAs、InGaAs 和 InP 等。然而,这些半导体材料持续增长的需求导致了制备装置复杂性和造价的增长,以及环境保护方面的问题。迅猛发展的光电子和光通信工业需要价格经济、环境友好的新一代光电子材料。绿色无污染、可大批量制备的微生物合成材料技术有望为这一问题提供有效的解决方案。 

  上世紀末人們發現利用某種厭氧細菌的呼吸作用可以用來分解重金屬汙染物和含氧非金屬基團,這項技術在微生物、地球化學、生態學和環境科學方面具有深遠的意義。上海光機所研究人員及其合作者意識到這項綠色、低成本、無汙染的合成技術在制備光子功能材料方面的價值,經過長期堅持不懈的探索,成功制備出光子性能優異的Te納米材料,並驗證了多項重要的超快光子學應用。 

  在这项研究中,研究人员通过培养从美国加州莫诺湖(Mono Lake)中提取的一种芽孢杆菌(Bacillus Selenitireducens)成功合成了单质Te纳米材料。超快非线性光学研究表明Te纳米材料具有从可见到中红外(515 nm至2.8μm)的广域饱和吸收性质,覆盖的波长跨度和饱和吸收系数在红外端超过了石墨烯。此外,其与聚-间苯乙炔-co-2,5-二辛氧基对苯乙炔(PmPV)共轭聚合的复合材料在可见和近红外波段表现出优异的宽波段激光防护光限幅特性,超过了C60、碳納米管及金屬酞菁等被廣泛關注的光限幅材料。研究人員進一步利用Te納米材料成功的實現了在摻铒光纖激光器和铥固體激光器中的中紅外超短脈沖輸出。同時,還實現了基于Te納米材料的熱光開關,其熱光響應速度和熱光系數均超過了之前被認爲性能極佳的WS2和石墨烯。 

  這些結果表明微生物合成的Te納米材料具有非常優異的超快非線性光學特性,基于該材料制備的紅外超短脈沖鎖模器、寬波段強激光防護光限幅器、熱光開關等光子學器件均體現出非常好的工作性能。這項研究創新性的將綠色微生物合成技術引入高性能光子功能材料制備中,填補了微生物合成納米材料光子學性質及應用研究的空白。 

  相关工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院、及上海市科委的项目支持。(微納光電子功能材料實驗室供稿) 

  原文鏈接

(a)微生物合成Te纳米材料,(b)可见到中红外广域饱和吸收性质,(c)红外超短脉冲输出,(d) 优异的光开关性能。 

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