微生物合成Te納米晶及其非線性光學應用方面取得進展

　　近期，中國科學院上海光學精密機械研究所微納光電子功能材料實驗室研究員王俊團隊、激光與紅外材料實驗室研究員張龍團隊等與國內外機構合作，揭示了微生物合成Te納米材料及其共軛聚合物復合材料優異的超快非線性光學特性，證實了其在超短脈沖產生、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。相關論文發表于《自然-通訊》 Nature Communications, 10, 3985 (2019) 。

　　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于無機半導體材料如GaAs、InGaAs和InP 等。然而，這些半導體材料持續增長的需求導致了制備裝置復雜性和造價的增長，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。綠色無污染、可大批量制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污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。上海光機所研究人員及其合作者意識到這項綠色、低成本、無污染的合成技術在制備光子功能材料方面的價值，經過長期堅持不懈的探索，成功制備出光子性能優異的Te納米微晶，并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（Mono Lake）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系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）共軛聚合的復合材料在可見和近紅外波段表現出優異的寬波段激光防護光限幅特性，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納米微晶成功地實現了在摻鉺光纖激光器和銩固體激光器中的中紅外超短脈沖輸出。同時，還實現了基于Te納米微晶的熱光開關，其熱光響應速度和熱光系數均超過了之前被認為性能極佳的WS2和石墨烯。

　　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，基于該材料制備的紅外超短脈沖鎖模器、寬波段強激光防護光限幅器、熱光開關等光子學器件均體現出非常好的工作性能。這項研究創新性地將綠色微生物合成技術引入高性能光子功能材料制備中，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。

　　相關工作得到了國家自然科學基金委、中科院及上海市科委的支持。

(a)微生物合成Te納米晶，(b)可見到中紅外廣域飽和吸收性質，(c)紅外超短脈沖輸出，(d) 優異的光開關性能。