Dissoluzione

Scientific Reports volume 5, numero articolo: 13689 (2015) Citare questo articolo

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Il grafene a pochi strati sintetizzato CVD con dissoluzione e riduzione in situ su film catalizzatore di nichel ultrasottile è dimostrato a temperature fino a 550 ° C, che può essere impiegato per formare assorbitore saturabile di tipo trasmissione o riflessione (SA ) per il blocco della modalità dei laser a fibra drogata con erbio (EDFL). Con il grafene SA di tipo a trasmissione, l'EDFL riduce la larghezza dell'impulso da 483 a 441 fs e amplia la larghezza della linea spettrale da 4,2 a 6,1 nm con l'ampliamento della corrente di pompaggio da 200 a 900 mA. Al contrario, l'SA di tipo a riflessione comprime solo l'ampiezza dell'impulso da 875 a 796 fs con la corrispondente larghezza di linea spettrale ampliata da 2,2 a 3,3 nm. Il mode-locker del grafene di tipo a riflessione aumenta il doppio del suo numero di strati equivalente per causare una maggiore perdita di inserzione rispetto a quello di tipo a trasmissione. Tuttavia, il sistema di assorbimento saturabile basato sul tipo a riflessione può generare impulsi stabilizzati simili a solitoni più facilmente rispetto a quelli del sistema di tipo a trasmissione, poiché la profondità di modulazione dell'auto-ampiezza indotta dalla non linearità viene contemporaneamente ampliata quando si passa attraverso il grafene due volte sotto il design del retroriflettore .

Il laser a fibra a impulsi corti è la chiave per esplorare i fenomeni ultraveloci o per sviluppare competenze in molti campi, tra cui biomedico1, comunicazione ottica2, chirurgia laser3, reazioni materiali4. Il sistema laser a fibra con modalità bloccata passivamente con architettura compatta e impulso di alta qualità è emerso come il sistema più popolare tra i candidati al giorno d'oggi1. Per avviare il mode-locking dei laser a fibra, sono stati applicati nanomateriali versatili a base di carbonio che fungono da assorbitori di saturazione5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17, 18,19,20. È stato dimostrato che i nanotubi di carbonio sono il primo mode locker su scala nanometrica in grado di generare impulsi di alta qualità5,6,7. Tuttavia, l’elevata energia superficiale e l’elevato rapporto d’aspetto dei nanotubi di carbonio fanno sì che i nanotubi di carbonio si aggreghino e si aggroviglino facilmente per ridurre la loro area superficiale e degradare la loro uniformità di distribuzione. Sebbene le proporzioni del nanotubo di carbonio possano essere ulteriormente ridotte mediante attacco chimico7, un ambiente acido così forte con H2SO4 e HNO3 concentrati formerebbe numerosi difetti superficiali o distruggerebbe il nanotubo di carbonio.

Il grafene è un materiale di carbonio bidimensionale che può essere trasferito direttamente su qualsiasi superficie. Pertanto, il grafene potrebbe superare il problema della distribuzione non uniforme e dell’autoaggregazione che si è verificato sui nanotubi di carbonio. Inoltre, il grafene mostra un'intensità di soglia inferiore per l'assorbimento saturo rispetto a quella dei nanotubi di carbonio per assumere il controllo di altri assorbitori saturabili per l'EDFL con modalità bloccata passivamente8,9,10. Sebbene il grafene abbia molti meriti, i requisiti ambientali per la sintesi del grafene sono relativamente severi. Prendendo come esempio il metodo CVD, sono necessarie temperature elevate (vicino a 1000 °C) e un ambiente con idrogeno (uno dei membri del gruppo di ricerca ritiene addirittura che il grafene difficilmente possa essere sintetizzato senza "idrogeno" mediante deposizione di vapori chimici)21. In particolare, anche l’ambiente povero di ossigeno è abbondante poiché il grafene reagirebbe con l’ossigeno e formerebbe anidride carbonica.

Per eliminare il complicato processo di sintesi e trasferimento, è emersa la deposizione chimica in fase vapore potenziata da plasma a bassa temperatura e senza idrogeno (PECVD) del grafene22. In questo lavoro, un grafene sintetizzato PECVD a bassa temperatura e privo di idrogeno viene utilizzato per la prima volta come blocco della modalità nel laser a fibra drogata con erbio. Inoltre, vengono discusse e confrontate le prestazioni dell'assorbitore di grafene saturo nei tipi di trasmissione o riflessione per i sistemi EDFL a modalità bloccata passivamente.

Per misurare lo spessore e calcolare il numero di strati del grafene a pochi strati, il film ultrasottile del catalizzatore di nichel è stato attaccato da FeCl3 e il grafene sollevato è stato successivamente trasferito su un wafer di Si liscio. L'immagine della vista dall'alto al microscopio a forza atomica (AFM) e il profilo in sezione trasversale del grafene a pochi strati sul wafer di Si mostrato in Fig. 1a,b rivelano una differenza di altezza di 2,5 nm tra il substrato di Si e il grafene trasferito. Considerando che l'altezza del grafene monostrato è di circa 0,33 nm23, il numero di strati di grafene a pochi strati sintetizzato mediante dissoluzione e riduzione in situ dopo la crescita del PECVD senza idrogeno e a bassa temperatura è approssimativamente stimato in 6 ~ 7 strati. Per caratterizzare la caratteristica di assorbimento saturabile del grafene a pochi strati, la trasmittanza non lineare ottenuta sotto il pompaggio con laser a fibra ad alta potenza di picco (lunghezza d'onda centrale a 1570 nm) è mostrata in Fig. 1c. Quando la potenza media di pompaggio aumenta da 0,008 a 3,23 mW, la trasmittanza del grafene a pochi strati aumenta in modo non lineare dall'87,5% al ​​91% con un ΔT del 3,5%. L'assorbimento si satura con una potenza di pompaggio di oltre 3,23 mW a causa dell'effetto di blocco Pauli, dove i fotoni potrebbero passare attraverso il grafene sbiancato otticamente. La profondità di modulazione corrispondente del grafene a pochi strati è di circa il 28%, che è già paragonabile a quella di circa il 30% ottenuta dal grafene a sette strati sintetizzato in ambiente ad alta temperatura e ricco di idrogeno8. Questa caratteristica competitiva ha corroborato l’affidabilità del grafene sintetizzato a pochi strati mediante dissoluzione e riduzione, coltivato in condizioni PECVD prive di idrogeno e a bassa temperatura.