Il National Physical Laboratory (NPL) ha collaborato con la Chalmers University of Technology e la Linköping University in Svezia per aiutare a sviluppare uno strumento rapido ed economico per il controllo della qualità del grafene cresciuto su carburo di silicio.

Il grafene è stato originariamente prodotto utilizzando un metodo chiamato "esfoliazione" che consiste nel separare la grafite, ad esempio con nastro adesivo, finché non rimarrai con uno strato di carbonio dello spessore di un atomo. Mentre questo produce grafene di alta qualità, il metodo non è adatto per la produzione di massa e le applicazioni commerciali.

Un metodo alternativo consiste nel far crescere il grafene in modo epitassiale (a strati) da un cristallo di carburo di silicio ad alta temperatura. NPL e i suoi collaboratori hanno recentemente utilizzato il grafene cresciuto in questo modo per sviluppare uno standard di resistenza di Hall quantistica superiore. Però, aumentare la produzione di grafene ai livelli e alla perfezione richiesti dall'industria elettronica, sono necessari strumenti di misurazione veloci ed economici per il controllo della qualità.

La nuova tecnica di controllo qualità, pubblicato in Nano lettere , si basa sulla microscopia ottica e può essere utilizzato per comprendere l'effetto del substrato di carburo di silicio sulla qualità dello strato di grafene. In precedenza si pensava che il contrasto del grafene sul carburo di silicio fosse troppo basso per essere osservato direttamente con un microscopio ottico. Ma, analizzando immagini ottiche e confrontandole con misurazioni elettriche, la tecnica è stata in grado di identificare singoli strati di grafene di soli 0,3 nanometri di spessore.

In una dimostrazione pratica, i ricercatori hanno costruito dispositivi al grafene su parti specifiche del carburo di silicio, che hanno localizzato utilizzando la tecnica della microscopia ottica. Oltre a identificare singoli strati di grafene, sono stati in grado di visualizzare caratteristiche come terrazze a gradini sul substrato di carburo di silicio e aree di grafene multistrato. Hanno quindi testato le caratteristiche elettriche dei dispositivi costruiti su ciascuna area. I risultati hanno confermato la capacità del microscopio ottico di rilevare aree di diversa topografia e copertura dello strato del grafene.

Questa ricerca dimostra come la microscopia ottica possa rilevare i difetti durante la crescita del grafene sul carburo di silicio. I risultati prodotti sono paragonabili ad altre tecniche più sviluppate ma sono più veloci da ottenere e non invasive. Ciò rende la tecnica di microscopia ottica un ottimo candidato per il controllo di qualità industriale.

Il contributo di NPL al progetto è stato quantificare le immagini ottiche e convalidare i dati della microscopia ottica utilizzando tecniche consolidate come la scansione della microscopia a sonda Kelvin. Questo lavoro è stato sostenuto dal progetto ConceptGraphene del Settimo programma quadro dell'UE (7° PQ) e dal progetto IRD sul grafene del National Measurement Office del Regno Unito.

NPL ha recentemente aderito alla Graphene Stakeholders Association per promuovere lo sviluppo responsabile del grafene e delle tecnologie abilitate al grafene.

Maggiori informazioni sul lavoro di NPL sul grafene.