Zespół badawczy z Jeną otrzymuje Nagrodę Badawczą Turyngii

Zwycięzcy Nagrody Badawczej Turyngii: Prof. Dr. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George i Dr. Christof Neumann (od lewej do prawej) © Nicole Nerger | Uniwersytet w Jenie / Zwycięzcy Nagrody Badawczej Turyngii: Prof. Andrey Turchanin, Dr. Falk Eilenberger, Dr. Antony George i Dr. Christof Neumann (od lewej do prawej) © Nicole Nerger | Uniwersytet w Jenie

Jako warstwy atomowe, materiały 2D drastycznie zmieniają swoje właściwości. © Nicole Nerger | Uniwersytet Jena / Jako warstwy atomowe, materiały 2D drastycznie zmieniają swoje właściwości. © Nicole Nerger | Uniwersytet Jena

Opracowany proces umożliwia przemysłową i skalowalną produkcję dostosowanych materiałów 2D. © Nicole Nerger | Uniwersytet Jena / The developed process enables industry-compatible and scalable production of customized 2D materials © Nicole Nerger | Universität Jena

2D-Materiały © Uniwersytet Jena / 2D materials © Uniwersytet Jena

W ramach badań nad dopasowanymi do potrzeb materiałami 2D, czteroosobowy zespół naukowców z Uniwersytetu Fryderyka Schillera w Jenie oraz Instytutu Fraunhofer ds. Optyki Stosowanej i Mikromechaniki IOF został uhonorowany Nagrodą Badawczą Turyngii. Uznanie za wybitne osiągnięcia naukowe w kategorii »Badania stosowane« zostało dziś uroczystościowo wręczone na Politechnice w Ilmenau i jest nagrodzone kwotą 25 000 euro.

Sto tysięcy razy cieńsze od włosa, mocniejsze od stali i skuteczni pośrednicy między światłem a prądem – tak zwane materiały 2D to szybko rozwijająca się klasa materiałów o unikalnych właściwościach i dużym potencjale zastosowań.

Za swoje badania nad właśnie tymi materiałami 2D naukowcy z Uniwersytetu w Jenie oraz Fraunhofer IOF zostali wyróżnieni Nagrodą Badawczą Turyngii. Nagroda w kategorii »Badania stosowane«, którą uhonorowano kwotą 25 000 euro, została wręczona 18 czerwca na Politechnice w Ilmenau. Laureaci – prof. dr Andrey Turchanin, dr Antony George, dr Christof Neumann i dr Falk Eilenberger (Fraunhofer IOF) – opracowali szereg innowacyjnych metod produkcji i wykorzystania dopasowanych materiałów 2D do zastosowań fotonicznych, elektronicznych i optoelektronicznych.

Odrobina niczego

Badane materiały 2D stanowią nową klasę surowców, składającą się z zaledwie jednej lub kilku warstw atomowych – odrobiny niczego. Ich szczególna cecha: drastycznie zmieniają swoje właściwości w porównaniu do trójwymiarowych surowców wyjściowych. Znanym nanomateriałem jest grafen. Materiał 2D, który jest izolowany przez nanoskalowe warstwy grafitu. W swojej atomowej formie jest znacznie mocniejszy i przewodzący niż grafit, który znamy na przykład z tradycyjnych ołówków.

W Fraunhofer IOF Falk Eilenberger, kierownik działu Mikro- i Nanostrukturalnej Optyki, badał między innymi pokrewną klasę materiałów – tlenki przejściowych metali, tzw. TMDs. W swojej trójwymiarowej formie TMDs występują jedynie jako pośrednie półprzewodniki, co ograniczało ich możliwości zastosowania. Jednak jako materiał 2D, substancja ta przekształca się w bezpośredni półprzewodnik, który efektywnie zamienia prąd na światło i odwrotnie.

Skalowalna produkcja otwiera nowe możliwości zastosowań

Dotychczas materiały 2D uzyskiwano przez »złuszczanie« trójwymiarowych kryształów. Podobnie jak podczas odciskania odcisku palca taśmą klejącą, pojedyncze warstwy kryształów są stopniowo usuwane. Jest to czasochłonny i nieodpowiedni dla przemysłu proces, który ograniczał możliwości zastosowania tych materiałów.

Naukowcy z Jeny skupili się na metodzie, która umożliwia przemysłową produkcję dopasowanych materiałów 2D. W tym celu wykorzystują tzw. metodę osadzania w fazie gazowej, podczas której kryształ rośnie na płytce z krzemu lub szkła niczym dywan – nanometrowa warstwa materiału.

„Dzięki nowej metodzie udało nam się nie tylko efektywnie produkować materiały 2D, ale także skalować je jako funkcjonalne elementy na komponentach optycznych”, wyjaśnia dr Eilenberger. „W ten sposób możemy na przykład integrować materiały TMD w światłowody, co otwiera szereg nowych możliwości zastosowań.”

Najprawdopodobniej najmniejsza LED na świecie

Wprowadzając TMD do światłowodów i chipów fotonicznych, można je funkcjonalizować tak, że nie tylko pasywnie przekazują światło, ale także je generują, zmieniają lub wykrywają: to idealna platforma do energooszczędnego realizowania klasycznych zadań komputerowych w technologii fotonicznej. Zespół naukowców zdołał także funkcjonalizować materiał 2D jako diodę, co pozwoliło na stworzenie prawdopodobnie najmniejszej LED na świecie.

Integracja nanomateriałów umożliwia po raz pierwszy produkcję elementów elektronicznych, fotonicznych i optoelektronicznych, które jednocześnie są ekstremalnie małe i wydajne. Efektywna konwersja prądu i światła czyni materiały 2D atrakcyjnymi do zastosowań w transmisji danych, technologii kamerowej czy systemach oświetleniowych. Ponadto można je bezproblemowo łączyć z istniejącymi półprzewodnikami, otwierając nowe ścieżki w technologii półprzewodników.

Emitowane światło może także wykazywać niezwykłe właściwości kwantowe. Dzięki temu nadaje się nie tylko do klasycznego przesyłu danych, ale także do kwantowego szyfrowania. Elementy optoelektroniczne z TMD mogą w przyszłości przyczynić się do zwiększenia bezpieczeństwa danych w sieciach komunikacyjnych opartych na kwantach.

Unikalne połączenie w Turyngii

Dr Eilenberger podkreśla wyjątkowe warunki badawcze w Turyngii jako klucz do sukcesu projektu: „Mamy tutaj na miejscu wyjątkową sytuację, która w dużym stopniu przyczyniła się do sukcesu naszego przedsięwzięcia”, mówi, odnosząc się do wyróżnienia. „W Turyngii, a szczególnie w Jenie, wiedza z zakresu fotoniki łączy się z doskonałym zapleczem naukowym – zarówno kadrowym, jak i technicznym – a także z odważnymi przedsiębiorstwami, które nie boją się innowacyjnych projektów”, wyjaśnia Falk Eilenberger, dziękując za współpracę z kolegami prof. dr. Andreyem Turchaninem, dr. Antonym George'em i dr. Christofem Neumannem z Uniwersytetu w Jenie.

Od 1995 roku Nagroda Badawcza Turyngii honoruje raz w roku wybitne osiągnięcia naukowe uczelni i instytutów badawczych w Turyngii. Najlepsze wyniki w dziedzinie badań podstawowych i stosowanych nagradzane są łącznie kwotą 25 000 € oraz Nagrodą Badawczą. Nagroda Badawcza Turyngii została wręczona 18 czerwca 2024 roku na Politechnice w Ilmenau.