Jenaans onderzoeksteam ontvangt Thüringer Onderzoeksprijs

De winnaars van de Thüringer Onderzoekprijs: Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George en Dr. Christof Neumann (v.l.n.r.) © Nicole Nerger | Universiteit Jena / De winnaars van de “Thüringer Forschungspreis”: Prof. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George en Dr. Christof Neumann (van links naar rechts) © Nicole Nerger | Universiteit Jena

Als atomaire lagen veranderen 2D-materialen hun eigenschappen drastisch. © Nicole Nerger | Universiteit Jena / As atomic layers, 2D materials drastically change their properties. © Nicole Nerger | Universiteit Jena

Het ontwikkelde proces maakt een industriële compatibele en schaalbare productie van op maat gemaakte 2D-materialen mogelijk. © Nicole Nerger | Universiteit Jena / The developed process enables industry-compatible and scalable production of customized 2D materials © Nicole Nerger | Universität Jena

2D-materialen © Universiteit Jena / 2D materials © Universiteit Jena

Voor het onderzoek naar op maat gemaakte 2D-materialen werd een team van vier wetenschappers van de Friedrich-Schiller-Universiteit Jena en het Fraunhofer-Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF bekroond met de Thüringer Onderzoeksprijs. De erkenning voor wetenschappelijke topprestaties in de categorie »Toegepast onderzoek« werd vandaag feestelijk uitgereikt aan de Technische Universiteit Ilmenau en is voorzien van een bedrag van 25.000 euro.

Honderdduizend keer dunner dan een haar, steviger dan staal en efficiënte tussenpersoon tussen licht en stroom – zogenaamde 2D-materialen vormen een snel ontwikkelende materiaalklasse met unieke eigenschappen en groot toepassingspotentieel.

Voor hun onderzoek aan deze 2D-materialen zijn onderzoekers van de Universiteit Jena en het Fraunhofer IOF nu geëerd met de Thüringer Onderzoeksprijs. De onderscheiding in de categorie »Toegepast onderzoek«, die is voorzien van 25.000 euro, werd op 18 juni uitgereikt aan de TU Ilmenau. De prijswinnaars – Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George, Dr. Christof Neumann en Dr. Falk Eilenberger (Fraunhofer IOF) – hebben een reeks innovatieve methoden ontwikkeld om op maat gemaakte 2D-materialen te produceren en te benutten voor fotonische, elektronische en opto-elektronische toepassingen.

Een vleugje Niets

De onderzochte 2D-materialen vormen een nieuwe klasse van stoffen die uit slechts één of enkele atomaire lagen bestaan – een vleugje Niets. Het bijzondere aan hen: ze veranderen hun eigenschappen drastisch ten opzichte van de driedimensionale uitgangsstoffen. Een bekend nanomateriaal is grafen. Een 2D-materiaal dat wordt geïsoleerd door slechts nanometerdunne lagen van grafiet af te zetten. In zijn atomaire vorm is het veel sterker en geleidingsvermogen dan de uitgangsstof grafiet, dat we bijvoorbeeld kennen van gewone potloden.

Bij het Fraunhofer IOF heeft Falk Eilenberger, hoofd van de afdeling Mikro- en Nanostructuur Optiek, onder andere de verwante materiaalklasse van overgangsmetaal-dichalogeniden, kortweg TMD's, onderzocht en gekarakteriseerd. TMD's komen in hun driedimensionale vorm alleen voor als indirecte halfgeleiders, wat de toepassingsmogelijkheden beperkt. Als 2D-materiaal echter verandert de stof in een directe halfgeleider die stroom efficiënt in licht kan omzetten en vice versa.

Opschaling van productie opent nieuwe toepassingsmogelijkheden

Tot nu toe werden 2D-materialen verkregen door het »afpellen« van driedimensionale kristallen. Net als bij het afnemen van een vingerafdruk met plakband, worden daarbij individuele lagen van de kristallen stuk voor stuk verwijderd. Een omslachtig proces dat niet geschikt is voor de industrie en de toepassingsmogelijkheden van de materialen tot nu toe beperkte.

De onderzoekers uit Jena hebben zich gericht op een methode die de industrieel compatibele productie van op maat gemaakte 2D-materialen mogelijk maakt. Hiervoor gebruiken ze de zogenaamde gasfasenafzetting, waarbij de kristallen groeien op een silicium- of glazen plaat als een tapijt – een nanometerdun tapijt.

»Door de nieuwe methode konden we de 2D-materialen niet alleen efficiënt produceren, maar deze ook schaalbaar laten groeien als functionele componenten op optische elementen«, legt Dr. Eilenberger uit. »Zo kunnen we onder andere TMD-materialen integreren in optische vezels, wat ons een reeks nieuwe toepassingsmogelijkheden opent.«

De waarschijnlijk kleinste LED ter wereld

Door het toevoegen van TMD kunnen optische vezels en fotonische chips zo worden gefunctionaliseerd dat ze niet alleen licht passief doorgeven, maar ook genereren, veranderen of detecteren: een ideaal platform om bijvoorbeeld bepaalde taken van klassieke computerchips in de toekomst energiezuinig fotonisch uit te voeren. Het onderzoeksteam slaagde er bovendien in om het 2D-materiaal als diode te gebruiken en zo de waarschijnlijk kleinste LED ter wereld te ontwikkelen.

De integratie van nanomaterialen maakt het voor het eerst mogelijk om elektronische, fotonische en opto-elektronische componenten te vervaardigen die tegelijk uiterst klein en krachtig zijn. De efficiënte omzetting van stroom en licht maakt de 2D-materialen bovendien interessant voor toepassingen in datatransmissie, camera-technologie of verlichtingssystemen. Daarnaast kunnen ze naadloos worden verbonden met bestaande halfgeleiders en daarmee nieuwe wegen openen in de halfgeleidertechnologie.

Het uitgaande licht kan ook zeer ongebruikelijke kwantumeigenschappen vertonen. Het is daarmee niet alleen geschikt voor klassieke datatransport, maar ook voor kwantumversleuteling. Optische componenten met TMD kunnen in de toekomst ook een bijdrage leveren aan de kwantumbeveiliging van datanetwerken.

Unieke combinatie in Thüringen

Dr. Eilenberger benadrukt de bijzondere onderzoeksomgeving in Thüringen als sleutel tot het succes van het project: »We hebben hier ter plaatse een heel unieke situatie, die in belangrijke mate heeft bijgedragen aan het succes van ons initiatief«, zegt hij met het oog op de onderscheiding. »In Thüringen en vooral in Jena ontmoet fotonica-knowhow op uitstekende wetenschappelijke voorzieningen – zowel personeels- als technisch – en ook op risicobereide bedrijven, die niet terugschrikken voor innovatieve projecten«, legt Falk Eilenberger uit ter ere van zijn samenwerking met de collega’s Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Antony George en Dr. Christof Neumann van de Universiteit Jena.

Met de Thüringer Onderzoeksprijs eert de deelstaat sinds 1995 jaarlijks wetenschappelijke topprestaties van de Thüringer hogescholen en buitenuniversitaire onderzoeksinstellingen. De meest uitstekende onderzoeksresultaten van individuen of onderzoeksgroepen in de categorieën fundamenteel en toegepast onderzoek worden beloond met een prijzengeld van in totaal 25.000 € en de onderzoeksprijs-award. De Thüringer Onderzoeksprijs werd op 18 juni 2024 uitgereikt aan de Technische Universiteit Ilmenau.