용해

Scientific Reports 5권, 기사 번호: 13689(2015) 이 기사 인용

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초박형 니켈 촉매막에 현장 용해 및 환원 CVD 합성 소수층 그래핀을 550°C의 낮은 온도에서 입증하여 투과형 또는 반사형 포화 흡수체(SA)를 형성하는 데 사용할 수 있습니다. ) EDFL(에르븀 첨가 광섬유 레이저)의 모드 잠금을 위한 것입니다. 투과형 그래핀 SA를 사용하는 EDFL은 펄스폭을 483fs에서 441fs로 줄이고 스펙트럼 선폭을 4.2nm에서 6.1nm로 넓히고 펌핑 전류를 200mA에서 900mA로 늘립니다. 대조적으로, 반사형 SA는 펄스폭을 875fs에서 796fs로 압축하고 해당 스펙트럼 선폭은 2.2nm에서 3.3nm로 넓어졌습니다. 반사형 그래핀 모드로커는 등가층 수를 2배로 늘려 투과형 그래핀보다 삽입 손실이 더 크다. 그럼에도 불구하고, 반사형 기반 포화 흡수체 시스템은 투과형 시스템보다 안정화된 솔리톤형 펄스를 쉽게 생성할 수 있습니다. 이는 역반사체 설계에 따라 그래핀을 두 번 통과할 때 비선형성으로 인한 자체 진폭 변조 깊이가 동시에 확대되기 때문입니다. .

단펄스 광섬유 레이저는 초고속 현상을 탐구하거나 생체의학1, 광통신2, 레이저 수술3, 재료 반응4 등 다양한 분야에서 기술을 개발하는 데 핵심입니다. 컴팩트한 구조와 고품질 펄스를 갖춘 수동 모드 잠금 광섬유 레이저 시스템은 현재 후보자들 사이에서 가장 인기 있는 시스템으로 부상했습니다1. 파이버 레이저의 모드 잠금을 시작하기 위해 포화 흡수체5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16,17 역할을 하는 다목적 탄소 기반 나노 물질이 적용되었습니다. 18,19,20. 탄소 나노튜브는 고품질 펄스를 생성하는 최초의 나노 규모 모드 로커로 시연되었습니다. 그러나 탄소나노튜브는 높은 표면에너지와 종횡비로 인해 탄소나노튜브가 쉽게 뭉치고 얽히게 되어 표면적이 줄어들고 분포 균일성이 저하되는 문제가 있다. 화학적 에칭을 통해 탄소 나노튜브의 종횡비가 더욱 감소될 수 있지만7, 농축된 H2SO4 및 HNO3가 포함된 강산 환경에서는 수많은 표면 결함이 형성되거나 탄소 나노튜브가 파괴됩니다.

그래핀은 어떤 표면에도 직접 전사될 수 있는 2차원 탄소 소재입니다. 따라서 그래핀은 탄소나노튜브에서 발생하는 불균일한 분포와 자기응집 문제를 극복할 수 있다. 또한, 그래핀은 수동 모드 잠금 EDFL8,9,10에 대해 다른 포화 흡수체를 대체하기 위해 탄소 나노튜브보다 포화 흡수에 대한 임계 강도가 더 낮습니다. 그래핀은 많은 장점을 가지고 있지만, 그래핀 합성을 위한 환경적 요구사항은 상대적으로 엄격합니다. CVD 방법을 예로 들면, 고온(1000°C 부근)과 수소 환경이 필요합니다(연구 그룹 중 한 명은 화학 기상 증착에 의한 "수소" 없이는 그래핀을 합성하기 어렵다고 생각하기도 합니다)21. 특히 그래핀이 산소와 반응해 이산화탄소를 형성해 산소 희소 환경도 풍부하다.

복잡한 합성 및 전달 공정을 없애기 위해 그래핀의 수소가 없는 저온 플라즈마 강화 화학 기상 증착(PECVD)이 등장했습니다. 이 연구에서는 저온 및 수소가 없는 PECVD 합성 그래핀이 처음으로 에르븀 도핑 파이버 레이저의 모드 로커로 사용되었습니다. 또한 수동 모드 잠금 EDFL 시스템의 투과 또는 반사 유형에서 그래핀 포화 흡수체의 성능을 논의하고 비교합니다.

몇 층의 그래핀의 두께를 측정하고 층수를 계산하기 위해 초박형 니켈 촉매막을 FeCl3로 식각한 후, 들어올려진 그래핀을 매끄러운 Si 웨이퍼로 옮겼다. 그림 1a, b에 표시된 Si 웨이퍼의 소수 층 그래핀의 원자간력 현미경(AFM) 평면도 이미지와 단면 프로파일은 Si 기판과 전사된 그래핀 사이에 2.5 nm의 높이 차이를 나타냅니다. 단층 그래핀의 높이가 약 0.33 nm23인 점을 고려하면, 수소가 없는 저온 PECVD 성장 후 현장 용해 및 환원에 의해 합성된 소수층 그래핀의 층수는 대략 6~7층으로 추정된다. 소수 층 그래핀의 포화 흡수 특성을 특성화하기 위해 고 피크 전력 광섬유 레이저(1570nm의 중심 파장)를 사용한 펌핑에서 얻은 비선형 투과율이 그림 1c에 표시됩니다. 펌핑 평균 전력이 0.008mW에서 3.23mW로 증가하면 소수 층 그래핀의 투과율은 ΔT가 3.5%일 때 87.5%에서 91%로 비선형적으로 증가합니다. 흡수는 광자가 광학적으로 표백된 그래핀을 통과할 수 있는 Pauli 차단 효과로 인해 3.23mW 이상의 펌핑 전력에서 포화됩니다. 소수 층 그래핀의 해당 변조 깊이는 약 28%이며, 이는 이미 고온 및 수소가 풍부한 환경에서 합성된 7층 그래핀에서 얻은 약 30%의 변조 깊이와 비교할 수 있습니다8. 이러한 경쟁적 특징은 수소가 없는 저온 PECVD 하에서 성장된 용해 및 환원 합성 소수층 그래핀의 신뢰성을 확증해 줍니다.