Jena tým vědců získává Thüringenskou vědeckou cenu

Vítězové Ceny za výzkum v Durynsku: Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George a Dr. Christof Neumann (zleva na pravou) © Nicole Nerger | Univerzita Jena / Vítězové „Ceny za výzkum v Durynsku“: Prof. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George a Dr. Christof Neumann (zleva na pravou) © Nicole Nerger | Univerzita Jena

Jako atomické vrstvy mění 2D materiály své vlastnosti drasticky. © Nicole Nerger | Univerzita Jena / Jako atomové vrstvy mění 2D materiály své vlastnosti drasticky. © Nicole Nerger | Univerzita Jena

Vyvinutý proces umožňuje průmyslově kompatibilní a škálovatelnou výrobu zakázkových 2D materiálů. © Nicole Nerger | Univerzita Jena / The developed process enables industry-compatible and scalable production of customized 2D materials © Nicole Nerger | Universität Jena

2D materiály © Univerzita Jena / 2D materiály © Univerzita Jena

Pro výzkum na míru 2D materiálů byl čtyřčlenný tým vědců z Friedrich-Schiller-Universität Jena a Fraunhofer-Institutu für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF oceněn Thüringerskou výzkumnou cenou. Ocenění za vynikající vědecké výkony v kategorii »Aplikovaný výzkum« bylo dnes slavnostně předáno na Technické univerzitě Ilmenau a je oceněno částkou 25 000 eur.

Stokrát tenčí než vlas, pevnější než ocel a efektivní prostředník mezi světlem a proudem – takzvané 2D materiály jsou rychle se rozvíjející třídou materiálů s jedinečnými vlastnostmi a velkým potenciálem pro aplikace.

Za svůj výzkum právě těchto 2D materiálů byli vědci z univerzity Jena a Fraunhofer IOF nyní oceněni Thüringerskou výzkumnou cenou. Ocenění v kategorii »Aplikovaný výzkum«, které je oceněno částkou 25 000 eur, bylo předáno 18. června na TU Ilmenau. Držitelé ceny – Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George, Dr. Christof Neumann a Dr. Falk Eilenberger (Fraunhofer IOF) – vyvinuli řadu inovativních metod pro výrobu a využívání na míru upravených 2D materiálů pro fotonické, elektronické a optoelektronické aplikace.

Vánku ničeho

Studované 2D materiály představují novou třídu materiálů složených pouze z jedné nebo několika atomových vrstev – takzvaný vánek ničeho. To, co je na nich zvláštní: jejich vlastnosti se drasticky liší od třírozměrných výchozích látek. Známým nanomateriálem je grafen. 2D materiál, který je izolován nanometrovými vrstvami grafitu. Ve své atomové formě je mnohem pevnější a vodivější než výchozí látka grafit, kterou známe například z běžných tužek.

Na Fraunhofer IOF zkoumal Falk Eilenberger, vedoucí oddělení mikro- a nanostrukturální optiky, mimo jiné, příbuznou třídu materiálů přechodových kovových dichalkogenidů, zkráceně TMDs. TMD se v jejich třídimenzionální podobě vyskytují pouze jako nepřímé polovodiče, což omezovalo jejich možnosti použití. Jako 2D materiál se však látka mění na přímý polovodič, který může efektivně přeměňovat proud na světlo a naopak.

Škálovatelná výroba otevírá nové možnosti využití

Dosud byly 2D materiály získávány „oloupáním“ třírozměrných krystalů. Podobně jako při odstraňování otisku prstu lepicí páskou se jednotlivé vrstvy krystalů odstraňují po kouscích. Jedná se o náročný a průmyslově nevhodný proces, který dosud omezoval možnosti využití těchto materiálů.

Vědci z Jeny se zaměřili na metodu, která umožňuje průmyslovou výrobu na míru upravených 2D materiálů. K tomu využívají takzvanou plynovou depozici, při níž krystal roste na silikonové nebo skleněné desce jako koberec – nanometrovou tenký koberec.

„Díky nové metodě jsme mohli nejen efektivně vyrábět 2D materiály, ale také je škálovatelně pěstovat jako funkční součásti na optických komponentách,“ vysvětluje Dr. Eilenberger. „Tak například můžeme integrovat TMD materiály do optických vláken, což nám otevírá řadu nových možností využití.“

Nejmenší LED na světě

Využitím TMD lze optická vlákna a fotonické čipy funkčně upravit tak, že nejen pasivně přenášejí světlo, ale také jej vytvářejí, mění nebo detekují: ideální platforma například pro energeticky úsporné fotonické provádění určitých úloh tradičních počítačových čipů v budoucnu. Tým vědců navíc dokázal funkčně upravit 2D materiál jako diodu a tím vyvinout pravděpodobně nejmenší LED na světě.

Integrace nanomateriálů umožňuje poprvé výrobu elektronických, fotonických a optoelektronických prvků, které jsou současně extrémně malé a výkonné. Efektivní přeměna proudu a světla činí 2D materiály zajímavými také pro použití v přenosu dat, kamerové technice nebo osvětlovacích systémech. Navíc je lze bez problémů propojit se stávajícími polovodiči, což otevírá nové cesty v polovodičové technologii.

Vytvářené světlo může mít také neobvyklé kvantové vlastnosti. Proto je vhodné nejen pro klasický přenos dat, ale i pro kvantové šifrování. Optické prvky s TMD mohou v budoucnu přispět ke kvantové bezpečnosti datových sítí.

Unikátní kombinace v Durynsku

Dr. Eilenberger zdůrazňuje výjimečné výzkumné prostředí v Durynsku jako klíč k úspěchu projektu: „Máme zde na místě zcela jedinečnou situaci, která zásadně přispěla k úspěchu našeho projektu,“ říká s odkazem na ocenění. „V Durynsku a zvláště v Jene se setkává znalost fotoniky s vynikajícím vědeckým vybavením – personálním i technickým – a také s odvážnými podniky, které se nebojí inovativních projektů,“ vysvětluje Falk Eilenberger při ocenění své spolupráce s kolegy Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George a Dr. Christof Neumann z univerzity Jena.

Thüringerská výzkumná cena je od roku 1995 udělována jednou ročně za vynikající vědecké výkony thüringských vysokých škol a mimoškolských výzkumných institucí. Nejlepší výkony jednotlivců nebo výzkumných skupin v kategoriích základního a aplikovaného výzkumu jsou oceněny celkovou částkou 25 000 € a cenou výzkumné ceny. Cena byla 18. června 2024 předána na Technické univerzitě Ilmenau.