• MXene은 표면 상태에 의존하여 전기적 전도성이 유의미하게 변화한다. • 표면 종단을 완전히 제거하면 MXene의 전기적 전도도가 향상된다. • 표면 종단 커버리지는 MXene의 전도 정도를 예측 가능하게 결정한다. • 가장 큰 전기적 저항은 표면 종단 커버리지의 약 ∼ 50 %에서 얻어진다. 2차원(2D) 전이금속 탄화물(MXenes)은 유망한 전자 전도 재료이다. 특히 이들은 본질적으로 표면 기능성을 가지며, 표면 종단의 제어가 MXenes의 기계적 및 광학적 특성을 조절하는 데 견고하고 효율적인 것으로 입증되었다. 그러나 MXenes의 전자적 전도에 대한 그 영향은 드물게 연구되었다. 비평형 양자역학 시뮬레이션을 사용하여, 여기서는 표면 종단 엔지니어링이 Ti3C2Tx MXenes의 전기적 전도도를 조절하는 강력한 수단이 될 수 있음을 보였다. 산소는 MXenes의 지배적인 표면 종단 중 하나이므로, 산소로 완전히 종단된 두 개의 극한 표면(Ti3C2O2)과 무종단(bare, Ti3C2) 표면을 고려하였다. 그 결과 Ti3C2는 Ti3C2O2에 비해 우수한 전기적 도체임을 확인했으며, 본 시스템에서 5배 높은 성능을 보였다. 또한 Ti3C2에서 산란 영역의 표면 산소 종단 정도를 점진적으로 증가시키며 이 문제를 추가로 탐구하였다. 전도도는 S-형 변화를 보였는데, 이는 산소 종단 비율이 50%인 지점에서 최소값을 가지며, 7.5배에 해당하는 유의미한 조절 가능성을 나타낸다. 다양한 표면 무종단도를 가진 Ti3C2O2 또한 40% 부근에서 최소값을 보이는 유의미하고 동적인 전도도 변화를 보였지만, 산소 종단 전극의 사용으로 인해 정량적으로는 서로 다른 방식으로 나타났다.

단파장 적외선(SWIR) 영역에서의 큰 광학 비선형성은 2D MXene을 초고속 비선형 포토닉스 및 광전자공학 분야에 폭발적으로 활용할 수 있게 하였다. 전기화학에서의 V 4 C 3 MXene에 대한 높은 기술적 관심에도 불구하고, 비선형 포토닉스 관점에서의 연구는 아직 수행되지 않았다. 여기서는 SWIR 파장 영역에서의 V 4 C 3 MXene의 비선형 광학 특성을 체계적으로 조사하였다. 먼저 Z‐scan 측정을 수행하였고, 1560 및 1910 nm의 두 파장에서 V 4 C 3 MXene의 포화 흡수 및 자기‐디포커싱 성질을 관찰하였다. 밀도범함수 이론 계산은 V 4 C 3 MXene의 금속성 특성을 보여준다. V 4 C 3 MXene의 포화 흡수 특성을 바탕으로, 1560 및 1910 nm에서 모두 작동하는 단일 포화 흡수체(SA)를 실험적으로 구현하였다. SA를 이용하여, erbium‐doped fiber ring 캐비티에서 SA의 작동을 통해 1559.9 nm에서 펄스 폭 638 fs의 안정적인 모드 고정(모드 락) 펄스를 즉시 생성하였다. 동일한 SA는 thulium holmium 공(共)도핑 섬유 링 캐비티에서 1911.9 nm에서 펄스 폭 1.08 ps의 모드 고정 펄스를 생성하였다. 이는 구현된 V 4 C 3 MXene 기반 SA의 동작 대역폭이 최소 350 nm 이상일 수 있음을 시사한다. 본 연구는 V 4 C 3 MXene이 SWIR 영역에서 초광대역 및 고성능 비선형 광학 물질 플랫폼으로서의 역할을 할 수 있음을 강하게 제안한다.

• MXene은 표면 상태에 의존하여 전기적 전도성이 유의미하게 변화한다. • 표면 종단을 완전히 제거하면 MXene의 전기적 전도도가 향상된다. • 표면 종단 커버리지는 MXene의 전도 정도를 예측 가능하게 결정한다. • 가장 큰 전기적 저항은 표면 종단 커버리지의 약 ∼ 50 %에서 얻어진다. 2차원(2D) 전이금속 탄화물(MXenes)은 유망한 전자 전도 재료이다. 특히 이들은 본질적으로 표면 기능성을 가지며, 표면 종단의 제어가 MXenes의 기계적 및 광학적 특성을 조절하는 데 견고하고 효율적인 것으로 입증되었다. 그러나 MXenes의 전자적 전도에 대한 그 영향은 드물게 연구되었다. 비평형 양자역학 시뮬레이션을 사용하여, 여기서는 표면 종단 엔지니어링이 Ti3C2Tx MXenes의 전기적 전도도를 조절하는 강력한 수단이 될 수 있음을 보였다. 산소는 MXenes의 지배적인 표면 종단 중 하나이므로, 산소로 완전히 종단된 두 개의 극한 표면(Ti3C2O2)과 무종단(bare, Ti3C2) 표면을 고려하였다. 그 결과 Ti3C2는 Ti3C2O2에 비해 우수한 전기적 도체임을 확인했으며, 본 시스템에서 5배 높은 성능을 보였다. 또한 Ti3C2에서 산란 영역의 표면 산소 종단 정도를 점진적으로 증가시키며 이 문제를 추가로 탐구하였다. 전도도는 S-형 변화를 보였는데, 이는 산소 종단 비율이 50%인 지점에서 최소값을 가지며, 7.5배에 해당하는 유의미한 조절 가능성을 나타낸다. 다양한 표면 무종단도를 가진 Ti3C2O2 또한 40% 부근에서 최소값을 보이는 유의미하고 동적인 전도도 변화를 보였지만, 산소 종단 전극의 사용으로 인해 정량적으로는 서로 다른 방식으로 나타났다.

단파장 적외선(SWIR) 영역에서의 큰 광학 비선형성은 2D MXene을 초고속 비선형 포토닉스 및 광전자공학 분야에 폭발적으로 활용할 수 있게 하였다. 전기화학에서의 V 4 C 3 MXene에 대한 높은 기술적 관심에도 불구하고, 비선형 포토닉스 관점에서의 연구는 아직 수행되지 않았다. 여기서는 SWIR 파장 영역에서의 V 4 C 3 MXene의 비선형 광학 특성을 체계적으로 조사하였다. 먼저 Z‐scan 측정을 수행하였고, 1560 및 1910 nm의 두 파장에서 V 4 C 3 MXene의 포화 흡수 및 자기‐디포커싱 성질을 관찰하였다. 밀도범함수 이론 계산은 V 4 C 3 MXene의 금속성 특성을 보여준다. V 4 C 3 MXene의 포화 흡수 특성을 바탕으로, 1560 및 1910 nm에서 모두 작동하는 단일 포화 흡수체(SA)를 실험적으로 구현하였다. SA를 이용하여, erbium‐doped fiber ring 캐비티에서 SA의 작동을 통해 1559.9 nm에서 펄스 폭 638 fs의 안정적인 모드 고정(모드 락) 펄스를 즉시 생성하였다. 동일한 SA는 thulium holmium 공(共)도핑 섬유 링 캐비티에서 1911.9 nm에서 펄스 폭 1.08 ps의 모드 고정 펄스를 생성하였다. 이는 구현된 V 4 C 3 MXene 기반 SA의 동작 대역폭이 최소 350 nm 이상일 수 있음을 시사한다. 본 연구는 V 4 C 3 MXene이 SWIR 영역에서 초광대역 및 고성능 비선형 광학 물질 플랫폼으로서의 역할을 할 수 있음을 강하게 제안한다.

2차원(2D) 재료는 초박막 구조와 초고(高) 표면적-부피비로 인해 기존의 벌크 재료에서는 나타나지 않는 뛰어난 기계적 특성을 지닌다. 기본 연구와 응용 분야 양측에서의 큰 잠재력에도 불구하고, 2D 재료의 근본적으로 중요하고 방향 의존적인 기계적 반응에 대한 심층적 이해는 드물게만 이루어져 왔다. 본 연구에서는 반응성 분자 동역학 시뮬레이션을 사용하여 점진적으로 변화하는 인장 방향에 따른 2D 전이금속 탄화물(MXene)의 인장 기계적 거동을 처음으로 조사한다. 결합이 매우 강한 다원자 두께 구조임에도 불구하고, MXene은 모든 방향에서 유연/웨어러블 응용에 바람직한 등방성 강성을 보이면서 11–17%로 유의하게 높은 연신성을 나타내는 한편, 비정상적인 파괴 이방성을 보인다. 특히 이러한 기계적 특징은 표면 종결의 존재/부재와 무관하게 질적으로 동일하게 유지되었다. 우리는 MXene이 인장 방향 및/또는 표면 종결 여부와 관계없이 항상 지그재그 원자 가장자리를 갖는 파편으로 파괴된다는 사실을 발견한다. 우리는 상세한 파괴 메커니즘을 규명하고, 이를 다른 육각형 2D 재료로의 일반화 가능성을 제안하였으며, 원시(pristine) 및 표면 수소화된 그래핀 나노시트 모두에 대해 검증을 수행한다. 이러한 결과를 바탕으로, 마지막으로 MXene의 고유한 파괴 이방성을 빠르고 신뢰성 있게 예측하기 위한 물리적으로 견고하며 계산적으로 효율적인 프레임워크를 제시하고, 시간 소모가 큰 시뮬레이션 결과와의 뛰어난 일치성을 보이며, 2D 재료 역학 전반에 대한 폭넓은 적용 가능성을 시사한다.

우리는 초저 후방산란을 갖는 편광 유지(PM) 클래딩 라이트 스트리퍼(CLS)를 제시하며, 잔류 펌프 출력 100 W를 처리할 수 있다. 기존에 제안한 주기적으로 홈이 형성된 CLS 구조를 사용하되, 적절한 길이의 복수 비식각 구간을 포함하였다. 20/400 um 편광 유지 대형 모드 영역(LMA) 기반 CLS를 설계하고 제작하였으며, 이를 이중 클래드 파이버(DCF)로 구현하였다. 제작 시 제조 및 환경 안전을 고려하여 불소화수소(HF) 비함유 화학 식각 기술을 사용하였다. 펌프 스트리핑 효율은 약 98.7%였고, 후방산란 수준은 약 0.13%였다. CLS 출력에서 편광 소광비(polarization extinction ratio)의 열화는 약 0.2 dB였으며, CLS 출력에서의 열화는 오직 약 0.2 dB에 그쳤다.

고출력 광섬유 레이저 시스템은 현재 재료 가공, 의학, 국방과 같은 다양한 응용 분야에서 널리 사용되고 있다[1]. 고출력 광섬유 레이저 기술은 클래딩 펌핑 방식을 사용하여 출력 파워를 증가시키기 위해 큰 모드 면적(LMA), 더블 클래드 섬유(DCFs)를 활용한다[2]. LMA DCF 기반 고출력 파이버 레이저의 성공적인 구현을 위해 핵심 구성 요소 중 하나는 클래딩 라이트 스트리퍼(CLS)이다. 희토류 이온 도핑 LMA DCF에 기반한 이득 매질에서는, 유도 방출을 유발하기 위해 주입된 펌프 빔이 사용된 이후에도 출력 단 끝단에 항상 무시할 수 없는 양의 잔류 펌프 파워가 존재한다는 사실은 잘 알려져 있다. 잔류 펌프 빔과 LMA DCF의 내부 클래딩 내에서 함께 존재하는 원치 않는 신호 빔은 출력 빔의 품질을 저하시킬 뿐 아니라, 섬유 접속(스플라이싱) 지점을 잠재적으로 손상시킬 수 있는 것으로 알려져 있다. CLS를 구현할 때 중요한 쟁점 중 하나는 클래딩 빛의 역방향 산란(backward scattering)인데, 이는 섬유의 가열과 연소를 유발할 수 있다[3]. 또한 무작위로 거칠게 만든 표면 구조에 기초한 기존 CLS 설계나 주기적으로 V-그루브가 형성된 구조에 기초한 설계는 잔류 펌프의 역산란에 취약하다고 보고되었다[4],[5].

우리는 초저 후방산란을 갖는 100-W 클래딩 라이트 스트리퍼(CLS)를 실험적으로 시연한다. 우리는 HF-free 화학 에칭을 기반으로 $20/400-\mu m$ LMA-DCF로 CLS를 제작하였다. 스트리핑 효율과 후방산란 수준은 각각 $\sim 98.9\%$ 및 $\sim 0.13\%$였다.

본 연구는 TiO2 마이크로입자(MP)에서의 광열 효과를 활용하여 중적외선(MIR) 레이저 출력 전력을 측정하는 가능성을 탐색하며, MP에서의 광열 효과에 대한 새로운 적용을 제시한다. MIR 전력 측정 장치는 실리카 섬유 페룰, 폴리머 층, TiO2 MP 층, ZBLAN 섬유 페룰을 포함하는 광섬유 기반 파브리-페로 간섭계(Fabry-Pérot interferometer, FPI) 구조에 기초한다. FPI 구성의 반사 모드에서 1550 nm 프로브 빔의 출력은 TiO2 MP에서의 광열 변환 효과로 인해 2.7 μm 레이저 출력 전력과 선형적으로 변화하는 것으로 확인되었다. MIR 레이저 출력 전력은 저비용 1.5 μm InGaAs/InP 기반 광 파워 미터로 반사된 1550 nm 프로브 빔 출력의 변화를 감지하여 간접적으로 측정하였다. 이 장치는 0~2 mW 범위의 MIR 광 출력을 측정할 수 있었다.

pairs/s/nm/mW. 그 결과는 양자 광학에서 ZBLAN 섬유를 양자 광원 생성의 효율적인 플랫폼으로 활용하는 것이 가능함을 보여준다.