Le scansioni a raggi X hanno rivoluzionato i trattamenti medici consentendoci di vedere all'interno degli esseri umani senza intervento chirurgico. Allo stesso modo, La spettroscopia terahertz penetra nei film di grafene consentendo agli scienziati di creare mappe dettagliate della loro qualità elettrica, senza danneggiare o contaminare il materiale. Il Graphene Flagship ha riunito ricercatori del mondo accademico e industriale per sviluppare e far maturare questa tecnica analitica, e ora è pronto un nuovo strumento di misurazione per la caratterizzazione del grafene.

Lo sforzo è stato possibile grazie all'ambiente collaborativo abilitato dal consorzio europeo Graphene Flagship, con la partecipazione di scienziati dei partner di Graphene Flagship DTU, Danimarca, IO ESSO, Italia, Università Aalto, Finlandia, AIXTRON, UK, imeco, Belgio, grafene, Spagna, Università di Varsavia, Polonia, e Thales R&T, Francia, così come collaboratori in Cina, Corea e Stati Uniti.

Il grafene è spesso "interposto" tra molti strati e materiali diversi da utilizzare nei dispositivi elettronici e fotonici. Ciò complica il processo di valutazione della qualità. La spettroscopia Terahertz rende le cose più facili. Immagina i materiali incapsulati e rivela la qualità del grafene sottostante, esporre le imperfezioni nei punti critici del processo di fabbricazione. è un veloce, tecnologia non distruttiva che sonda le proprietà elettriche del grafene e dei materiali stratificati, senza bisogno di contatto diretto.

Lo sviluppo di tecniche di caratterizzazione come la spettroscopia terahertz è fondamentale per accelerare la produzione su larga scala, in quanto garantiscono che i dispositivi abilitati al grafene siano realizzati in modo coerente e prevedibile, senza difetti. Il controllo di qualità precede la fiducia. Grazie ad altri sviluppi introdotti dalla Graphene Flagship, come la produzione roll-to-roll di grafene e materiali stratificati, la tecnologia di fabbricazione è pronta per fare il passo successivo. La spettroscopia Terahertz ci consente di aumentare la produzione di grafene senza perdere di vista la qualità.

"Questa è la tecnica di cui avevamo bisogno per eguagliare i livelli di produzione ad alto rendimento consentiti dal Graphene Flagship, " spiega Peter Bøggild del partner Graphene Flagship DTU. "Siamo fiduciosi che la spettroscopia terahertz nella produzione di grafene diventerà di routine come le scansioni a raggi X negli ospedali, " aggiunge. "Infatti, grazie alla spettroscopia terahertz puoi mappare facilmente anche campioni di grafene su scala metrica senza toccarli, che non è possibile con alcune altre tecniche all'avanguardia." Inoltre, la Graphene Flagship sta attualmente studiando come applicare la spettroscopia terahertz direttamente nelle linee di produzione di grafene roll-to-roll, e velocizzare l'imaging.

La collaborazione è stata fondamentale per questo risultato. I ricercatori di Graphene Flagship nelle istituzioni accademiche hanno lavorato a stretto contatto con i principali produttori di grafene come AIXTRON, partner di Graphene Flagship, Grafene e IMEC. "Questo è il modo migliore per garantire che la nostra soluzione sia pertinente per i nostri utenti finali, aziende che producono grafene e materiali stratificati su scala industriale, " afferma Bøggild. "La nostra pubblicazione è un caso di studio completo che mette in evidenza la versatilità e l'affidabilità della spettroscopia terahertz per il controllo qualità e dovrebbe guidare i nostri colleghi nell'applicazione della tecnica a molti substrati di rilevanza industriale come silicio, zaffiro, carburo di silicio e polimeri." aggiunge.

Stabilire degli standard è un passo importante per lo sviluppo di qualsiasi nuovo materiale, per garantire che sia sicuro, genuino e offrirà prestazioni affidabili e coerenti. Ecco perché Graphene Flagship ha un gruppo di lavoro dedicato incentrato sulla standardizzazione del grafene, tecniche di misurazione e analisi e processi di fabbricazione. Il metodo di nuova concezione per la spettroscopia terahertz è sulla buona strada per diventare una specifica tecnica standard, grazie al lavoro del Graphene Flagship Standardization Committee. "Questo accelererà senza dubbio l'adozione di questa nuova tecnologia, poiché illustrerà come l'analisi e il confronto dei campioni di grafene possono essere eseguiti in modo riproducibile, " spiega Peter Jepsen di Graphene Flagship Partner DTU, chi è co-autore dello studio. "La spettroscopia Terahertz è un altro passo per aumentare la fiducia nei prodotti abilitati al grafene, " conclude.

Amaia Zurutuza, co-autore del documento e Direttore Scientifico di Graphene Flagship partner Graphenea, dice:"A Graphenea, siamo convinti che l'imaging a terahertz possa consentire lo sviluppo di tecniche di controllo della qualità in grado di soddisfare i requisiti di produttività e fornire informazioni pertinenti sulla qualità del grafene, che è essenziale nel nostro percorso verso l'industrializzazione di successo del grafene."

Thurid Gspann, il presidente del comitato per la standardizzazione del fiore all'occhiello del grafene, dice, "Si prevede che questa tecnica terahertz [spettroscopia] sarà ampiamente adottata dall'industria. Non richiede alcuna particolare preparazione del campione ed è una tecnica di mappatura che consente di analizzare grandi aree in modo efficiente in termini di tempo".

Marco Romagnoli, Leader della divisione ammiraglia del grafene per l'integrazione di elettronica e fotonica, aggiunge, "Lo strumento di spettroscopia terahertz per applicazioni su scala wafer è uno stato dell'arte, sistema ad alto TRL per caratterizzare stack multistrato su wafer che contengono grafene CVD. Funziona in breve tempo e con buona precisione, e fornisce i principali parametri di interesse, come la mobilità dei vettori, conducibilità, tempo di dispersione e densità dei portatori. Questo risultato tecnico di alto valore è anche un esempio del vantaggio di far parte di un grande progetto di collaborazione come il Graphene Flagship".

Andrea C. Ferrari, Responsabile scientifico e tecnologico dell'ammiraglia del grafene e presidente del suo comitato di gestione, aggiunge, "Ancora una volta, I ricercatori di Graphene Flagship stanno sperimentando una nuova tecnica di caratterizzazione per facilitare lo sviluppo della tecnologia del grafene. Questo ci aiuta a progredire costantemente nella nostra roadmap di innovazione e tecnologia e andrà a beneficio dell'adozione industriale del grafene in un'ampia gamma di applicazioni".