Grafeen heeft hoge verwachtingen gewekt, als een sterke, ultradun, tweedimensionaal materiaal dat ook de basis zou kunnen zijn voor nieuwe componenten in de informatietechnologie. Er is dus een enorme behoefte aan karakterisering van grafeenapparaten. Dit kan met behulp van Raman-spectroscopie. Laserlicht wordt naar het materiaalmonster gestuurd, en verstrooide fotonen vertellen ons over de rotaties en trillingen van de moleculen binnenin, en dus over de kristalstructuur. Gemiddeld, slechts ongeveer 1 op de 10 miljoen fotonen wordt op deze manier verstrooid. Dit maakt het niet alleen moeilijk om de juiste informatie op te sporen, het is ook erg traag:het kan een halve seconde duren om één enkele pixel af te beelden. De vraag is of Raman nog wel de beste optie blijft, of er betere alternatieven zijn. Onderzoekers Sachin Nair en Jun Gao houden Raman-spectroscopie als uitgangspunt, maar weet de snelheid drastisch te verbeteren:niet door de techniek zelf te veranderen, maar door een algoritme toe te voegen.

Ruisonderdrukking

Dit algoritme is niet onbekend in de wereld van signaalverwerking en wordt Principal Component Analysis genoemd. Het wordt gebruikt om de signaal-ruisverhouding te verbeteren. PCA bepaalt de kenmerken van ruis en die van het 'echte' signaal. Hoe groter de dataset, hoe betrouwbaarder deze herkenning is, en hoe duidelijker het eigenlijke signaal kan worden onderscheiden. Afgezien daarvan, moderne Raman-instrumenten hebben een detector die elektronenvermenigvuldigend ladingsgekoppeld apparaat (EMCCD) wordt genoemd en die de signaal-ruisverhouding verbetert. Het netto resultaat van dit werk is dat het verwerken van één pixel geen halve seconde duurt, maar slechts 10 milliseconden of minder. Het in kaart brengen van een enkel monster kost geen uren meer. Een belangrijk kenmerk van kwetsbare materialen zoals grafeenoxide is dat de intensiteit van de laser twee of drie ordes van grootte kan worden verlaagd. Dit zijn belangrijke stappen vooruit om snel grip te krijgen op de eigenschappen van materialen.

Multifunctioneel

Behalve grafeen, de verbeterde Raman-techniek kan ook worden gebruikt voor andere tweedimensionale materialen zoals germaneen, siliceen, molybdeendisulfide, wolfraamdisulfide en boornitride. Het gebruik van het algoritme is niet beperkt tot Raman-spectroscopie; technieken zoals Atomic Force Microscopy en andere hyperspectrale technieken zouden er ook baat bij kunnen hebben.

Het onderzoek is gedaan in de groep Physics of Complex Fluids van Prof Frieder Mugele, onderdeel van het MESA+ Instituut van de UT. De onderzoekers werkten samen met de Medical Cell BioPhysics-groep en de Physics of Interfaces and Nanomaterials-groep, zowel van de Universiteit Twente.