Bij DTU is een kerstboom gemaakt met een dikte van één atoom. Het laat zien hoe terahertz-metingen kunnen worden gebruikt om de kwaliteit van grafeen te waarborgen.

De kerstboom op de foto's hierboven is 14 centimeter lang. Omdat het is gemaakt van grafeen, bestaat het uit koolstofatomen in slechts één laag en is het slechts een derde nanometer dik. Het wordt uit een 10 meter lange rol grafeen gesneden, in één stuk overgebracht met behulp van een herbouwde lamineermachine en vervolgens gescand met terahertz-straling.

Het experiment laat zien dat continue kwaliteitscontrole mogelijk is tijdens de productie van grafeen, dat naar verwachting een belangrijke rol zal spelen in toekomstige hogesnelheidselektronica, dat wil zeggen medische instrumenten en sensoren.

Grafeen is een zogenaamd tweedimensionaal materiaal, d.w.z. het bestaat uit atomen in één samenhangende laag die slechts één atoom dun is. Het is robuuster, stijver en beter in het geleiden van elektriciteit en warmte dan enig ander materiaal dat we kennen. Daarom is grafeen een voor de hand liggende kandidaat voor elektronische schakelingen die minder ruimte innemen, minder wegen, buigzaam zijn en efficiënter zijn dan de elektronica die we tegenwoordig kennen.

"Zelfs als je een potloodtekening van een kerstboom zou kunnen maken en die van het papier zou kunnen tillen - wat we figuurlijk hebben gedaan - zou het veel dikker zijn dan één atoom. Een bacterie is bijvoorbeeld 3000 keer dikker dan het grafeen laag die we gebruikten. Daarom durf ik dit de dunste kerstboom ter wereld te noemen. En hoewel het uitgangspunt koolstof is, net als het grafiet in een potlood, is grafeen tegelijkertijd nog meer geleidend dan koper. De "tekening" is gemaakt in één perfecte laag in één stuk", zegt professor Peter Bøggild die het team achter het kerstboom-experiment leidde.

"Maar achter de kerstgrap gaat een belangrijke doorbraak schuil. Voor het eerst zijn we erin geslaagd om een ​​in-line kwaliteitscontrole van de grafeenlaag uit te voeren terwijl we deze overbrachten. Dit is de sleutel tot het verkrijgen van stabiele, reproduceerbare en bruikbare materiaaleigenschappen, wat de voorwaarde is voor het gebruik van grafeen in bijvoorbeeld elektronische schakelingen."

30.000 keer dunner dan keukenfolie

Zoals de onderzoekers in dit geval hebben gedaan, kan het grafeen op koperfilm worden "gegroeid". Het grafeen wordt bij ongeveer 1000°C op een rol koperfolie afgezet. Dat proces is bekend en goed werkend. Maar er kan veel misgaan wanneer de ultradunne grafeenfilm van de koperrol wordt verplaatst naar waar deze wordt gebruikt. Omdat grafeen 30.000 keer dunner is dan keukenfolie, is het een veeleisend proces. Onderzoeker Abhay Shivayogimath stond aan de basis van verschillende nieuwe uitvindingen in het overdrachtsproces van DTU, waardoor een stabiele overdracht van de grafeenlagen van de koperrol werd gegarandeerd.

Bovendien is er geen technologie geweest die de elektrische kwaliteit van grafeen onderweg kon controleren - terwijl het werd overgedragen. Dit jaar hebben Peter Bøggild en zijn collega professor Peter Uhd Jepsen van DTU Fotonik, een van 's werelds toonaangevende terahertz-onderzoekers, een manier gevonden om dit te doen.

De gekleurde afbeeldingen zijn metingen van hoe de grafeenlaag terahertzstraling absorbeert. De absorptie is direct gerelateerd aan de elektrische geleidbaarheid:hoe beter het geleidende grafeen, hoe beter het absorbeert.

Terahertz-stralen zijn hoogfrequente radiogolven die tussen infrarode straling en microgolven liggen. Net als röntgenstralen kunnen ze worden gebruikt om menselijke lichamen te scannen, zoals we die kennen van de luchthavenbeveiliging. Terahertz-stralen kunnen ook foto's maken van de elektrische weerstand van de grafeenlaag. Door de terahertz-scanner aan te sluiten op de machine die de grafeenfilm overbrengt, is het mogelijk om de elektrische eigenschappen van de film tijdens het overdrachtsproces in beeld te brengen.

Officiële internationale meetstandaard

Stel dat de implementatie van grafeen en andere 2D-materialen moet worden versneld. Dan is continue kwaliteitsborging een voorwaarde, zegt Peter Bøggild. Kwaliteitscontrole gaat vooraf aan vertrouwen, zegt hij. De technologie kan garanderen dat op grafeen gebaseerde technologieën uniformer en voorspelbaarder worden vervaardigd met minder fouten. Dit jaar is de methode van de DTU-onderzoekers goedgekeurd als de eerste officiële internationale meetstandaard voor grafeen. Hun methode werd eerder dit jaar beschreven in het artikel 'Terahertz-beeldvorming van grafeen effent de weg naar industrialisatie'.

Het potentieel is uitstekend. Grafeen en andere tweedimensionale materialen kunnen b.v. de productie van high-speed elektronica mogelijk te maken door bliksemsnelle berekeningen uit te voeren met veel minder stroomverbruik dan de technologieën die we tegenwoordig gebruiken. Maar voordat grafeen op industriële schaal meer wijdverbreid kan worden en in de elektronica kan worden gebruikt, moeten we in het dagelijks leven drie belangrijke problemen oplossen.

Ten eerste is de prijs te hoog. Er is meer en snellere productie nodig om de prijs omlaag te brengen. Maar daarmee loop je tegen het tweede probleem aan:als je de snelheid verhoogt en tegelijkertijd de kwaliteit niet kunt controleren, neemt de kans op fouten ook enorm toe. Bij overdracht met hoge snelheid moet alles precies worden ingesteld. Dit brengt ons bij het derde probleem:hoe weet je wat precies is?

Het vereist metingen. En liefst metingen tijdens het daadwerkelijke overdrachtsproces. Het DTU-team is ervan overtuigd dat kwaliteitscontrole met behulp van terahertzstraling de beste gok is op die methode.

Peter Bøggild benadrukt dat deze drie problemen niet zijn opgelost met de nieuwe methode alleen:"We hebben een zeer belangrijke stap gezet. We hebben een lamineermachine omgebouwd tot een zogenaamd roll-2-roll transfersysteem. Het tilt het grafeen voorzichtig op laag van de koperrol waarop de grafeenlaag is gegroeid en verplaatst deze op plastic folie zonder dat deze breekt, kreukt of vuil wordt. Als we dit combineren met het terahertz-systeem, zien we meteen of het proces goed is verlopen. of we ongebroken grafeen hebben met een lage elektrische weerstand", zegt Peter Bøggild. + Verder verkennen

Onderzoekers komen dichter bij het beheersen van tweedimensionaal grafeen