微生物合成Te納米晶及其非線性光學研究獲重要進展—新聞—科學網

2021-01-19 科學網

 

中科院上海光機所研究團隊與國內外機構合作，揭示了微生物合成Te納米材料及其共軛聚合物複合材料優異的超快非線性光學特性，證實了其在超短脈衝產生、全光開關等領域的重要應用潛力，該項研究展示出微生物合成技術在光子功能材料領域的優勢和特點。相關論文近日發表於《自然—通訊》。

近年來從遠程通訊、顯示照明技術、可再生能源、生物醫藥傳感器的發展趨勢來看，光電技術在上述領域的應用起到不可或缺的作用。當前多數光電子器件基於無機半導體材料如 GaAs、InGaAs和 InP等。然而，這些光電功能材料持續增長的需求導致了製備裝置複雜性和造價的增長，以及環境保護方面的問題。迅猛發展的光電子和光通信工業需要價格經濟、環境友好的新一代光電子材料。Te納米材料具有優異的光物理特性，有望成為下一代光電子及光子器件的候選材料。傳統的Te納米材料的合成在很大程度上依賴於化學方法，這些方法使用苛刻的試劑、高溫，並產生大量危險廢物，處理成本很高。綠色無汙染、可大批量製備的微生物合成材料技術有望為這一問題提供有效的解決方案。

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。中科院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製備光子功能材料方面的價值，經過長期堅持不懈的探索，成功製備出光子性能優異的Te納米微晶，並首次驗證了多項重要的超快光子學應用。

在這項研究中，研究人員通過培養從美國加州莫諾湖中提取的一種芽孢桿菌（Bacillus Selenitireducens），成功合成了單質Te納米微晶。超快非線性光學研究表明Te納米微晶具有從可見到中紅外（515 nm至2.8 μm）的廣域飽和吸收性質，覆蓋的波長跨度和飽和吸收係數在紅外端超過了石墨烯。此外，其與聚-間苯乙炔-co-2,5-二辛氧基對苯乙炔（PmPV）共軛聚合的複合材料在可見和近紅外波段表現出優異的寬波段雷射防護光限幅特性，超過了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納米微晶成功的實現了在摻鉺光纖雷射器和銩固體雷射器中的中紅外超短脈衝輸出。同時，還實現了基於Te納米微晶的熱光開關，其熱光響應速度和熱光係數均超過了之前被認為性能極佳的WS2和石墨烯。

專家表示，這些結果表明微生物合成的Te納米晶具有非常優異的超快非線性光學特性，基於該材料製備的紅外超短脈衝鎖模器、寬波段強雷射防護光限幅器、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製備中，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。

相關論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-019-11898-z

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