微生物合成Te纳米晶及其非线性光学应用方面取得进展

　　近期，中国科学院上海光学精密机械研究所微纳光电子功能材料实验室研究员王俊团队、激光与红外材料实验室研究员张龙团队等与国内外机构合作，揭示了微生物合成Te纳米材料及其共轭聚合物复合材料优异的超快非线性光学特性，证实了其在超短脉冲产生、全光开关等领域的重要应用潜力，该项研究展示出微生物合成技术在光子功能材料领域的优势和特点。相关论文发表于《自然-通讯》 Nature Communications, 10, 3985 (2019) 。

　　近年来从远程通讯、显示照明技术、可再生能源、生物医药传感器的发展趋势来看，光电技术在上述领域的应用起到不可或缺的作用。当前多数光电子器件基于无机半导体材料如GaAs、InGaAs和InP 等。然而，这些半导体材料持续增长的需求导致了制备装置复杂性和造价的增长，以及环境保护方面的问题。迅猛发展的光电子和光通信工业需要价格经济、环境友好的新一代光电子材料。绿色无污染、可大批量制备的微生物合成材料技术有望为这一问题提供有效的解决方案。

　　上世纪末人们发现利用某种厌氧细菌的呼吸作用可以用来分解重金属污染物和含氧非金属基团，这项技术在微生物、地球化学、生态学和环境科学方面具有深远的意义。上海光机所研究人员及其合作者意识到这项绿色、低成本、无污染的合成技术在制备光子功能材料方面的价值，经过长期坚持不懈的探索，成功制备出光子性能优异的Te纳米微晶，并验证了多项重要的超快光子学应用。

　　在这项研究中，研究人员通过培养从美国加州莫诺湖（Mono Lake）中提取的一种芽孢杆菌（Bacillus Selenitireducens）成功合成了单质Te纳米微晶。超快非线性光学研究表明Te纳米微晶具有从可见到中红外（515 nm至2.8 μm）的广域饱和吸收性质，覆盖的波长跨度和饱和吸收系数在红外端超过了石墨烯。此外，其与聚-间苯乙炔-co-2,5-二辛氧基对苯乙炔（PmPV）共轭聚合的复合材料在可见和近红外波段表现出优异的宽波段激光防护光限幅特性，超过了C60、碳纳米管及金属酞菁等被广泛关注的光限幅材料。研究人员进一步利用Te纳米微晶成功地实现了在掺铒光纤激光器和铥固体激光器中的中红外超短脉冲输出。同时，还实现了基于Te纳米微晶的热光开关，其热光响应速度和热光系数均超过了之前被认为性能极佳的WS2和石墨烯。

　　这些结果表明微生物合成的Te纳米晶具有非常优异的超快非线性光学特性，基于该材料制备的红外超短脉冲锁模器、宽波段强激光防护光限幅器、热光开关等光子学器件均体现出非常好的工作性能。这项研究创新性地将绿色微生物合成技术引入高性能光子功能材料制备中，填补了微生物合成纳米材料光子学性质及应用研究的空白。

　　相关工作得到了国家自然科学基金委、中科院及上海市科委的支持。

(a)微生物合成Te纳米晶，(b)可见到中红外广域饱和吸收性质，(c)红外超短脉冲输出，(d) 优异的光开关性能。