Alla DTU è stato realizzato un albero di Natale con uno spessore di un atomo. Mostra come le misurazioni in terahertz possono essere utilizzate per garantire la qualità del grafene.

L'albero di Natale nelle immagini sopra è lungo 14 centimetri. Poiché è fatto di grafene, è costituito da atomi di carbonio in un solo strato ed è spesso solo un terzo di nanometro. Viene ritagliato da un rotolo di grafene lungo 10 metri, trasferito in un unico pezzo utilizzando una macchina di laminazione ricostruita e quindi scansionato con radiazioni terahertz.

L'esperimento mostra che è possibile eseguire un controllo di qualità continuo durante la produzione di grafene, che dovrebbe svolgere un ruolo significativo nella futura elettronica ad alta velocità, ovvero strumenti e sensori medici.

Il grafene è un cosiddetto materiale bidimensionale, ovvero è costituito da atomi in uno strato coeso sottile di un solo atomo. È più robusto, più rigido e meglio condurre elettricità e calore rispetto a qualsiasi altro materiale che conosciamo. Pertanto, il grafene è un candidato ovvio per i circuiti elettronici che occupano meno spazio, pesano meno, sono pieghevoli e sono più efficienti dell'elettronica che conosciamo oggi.

"Anche se potessi disegnare un albero di Natale a matita e sollevarlo dalla carta - che, in senso figurato, è quello che abbiamo fatto - sarebbe molto più spesso di un atomo. Un batterio è, ad esempio, 3000 volte più spesso del grafene strato che abbiamo usato. Ecco perché oso chiamarlo l'albero di Natale più sottile del mondo. E sebbene il punto di partenza sia il carbonio, proprio come la grafite in una matita, il grafene è allo stesso tempo ancora più conduttivo del rame. Il "disegno" è fatto in uno strato perfetto in un unico pezzo", afferma il professor Peter Bøggild che guida il team dietro l'esperimento dell'albero di Natale.

"Ma dietro lo scherzo di Natale si nasconde un'importante svolta. Per la prima volta, siamo riusciti a effettuare un controllo di qualità in linea dello strato di grafene mentre lo trasferivamo. Fare questo è la chiave per ottenere proprietà del materiale stabili, riproducibili e utilizzabili, che è il prerequisito per l'utilizzo del grafene, ad esempio nei circuiti elettronici."

30.000 volte più sottile della pellicola da cucina

Come hanno fatto i ricercatori in questo caso, il grafene può essere "cresciuto" su una pellicola di rame. Il grafene viene depositato su un rotolo di lamina di rame a circa 1000°C. Questo processo è ben noto e ben funzionante. Ma molte cose possono andare storte quando la pellicola ultrasottile di grafene viene spostata dal rullo di rame al punto in cui viene utilizzata. Poiché il grafene è 30.000 volte più sottile della pellicola da cucina, è un processo impegnativo. Il ricercatore Abhay Shivayogimath è stato alla base di diverse nuove invenzioni nel processo di trasferimento di DTU, garantendo un trasferimento stabile degli strati di grafene dal rullo di rame.

Inoltre, non esiste alcuna tecnologia in grado di controllare la qualità elettrica del grafene in movimento, durante il suo trasferimento. Quest'anno Peter Bøggild e il suo collega, il professor Peter Uhd Jepsen del DTU Fotonik, uno dei principali ricercatori terahertz del mondo, hanno stabilito un modo per farlo.

Le immagini colorate sono misurazioni di come lo strato di grafene assorbe le radiazioni terahertz. L'assorbimento è direttamente correlato alla conducibilità elettrica:migliore è il grafene conduttivo, migliore è l'assorbimento.

I raggi terahertz sono onde radio ad alta frequenza che si trovano tra la radiazione infrarossa e le microonde. Come i raggi X, possono essere utilizzati per scansionare i corpi umani, come sappiamo dalla sicurezza dell'aeroporto. I raggi terahertz possono anche fotografare la resistenza elettrica dello strato di grafene. Collegando lo scanner terahertz alla macchina che trasferisce la pellicola di grafene, è possibile visualizzare le proprietà elettriche della pellicola durante il processo di trasferimento.

Standard di misurazione internazionale ufficiale

Supponiamo che l'implementazione del grafene e di altri materiali 2D debba essere accelerata. In tal caso, la garanzia della qualità continua è un prerequisito, afferma Peter Bøggild. Il controllo di qualità precede la fiducia, dice. La tecnologia può garantire che le tecnologie basate sul grafene siano prodotte in modo più uniforme e prevedibile con meno errori. Quest'anno, il metodo dei ricercatori della DTU è stato approvato come primo standard di misurazione internazionale ufficiale per il grafene. Il loro metodo è stato descritto all'inizio di quest'anno nell'articolo "L'imaging Terahertz del grafene apre la strada all'industrializzazione".

Il potenziale è eccellente. Il grafene e altri materiali bidimensionali possono ad es. consentire la produzione di elettronica ad alta velocità eseguendo calcoli fulminei con un consumo energetico molto inferiore rispetto alle tecnologie che utilizziamo oggi. Ma prima che il grafene possa diffondersi su scala industriale ed essere utilizzato nell'elettronica, nella vita di tutti i giorni incontriamo tre problemi principali che devono essere risolti.

Innanzitutto, il prezzo è troppo alto. È necessaria una produzione maggiore e più rapida per abbassare il prezzo. Ma con questo, affronti il ​​secondo problema:quando aumenti la velocità e non puoi allo stesso tempo controllare la qualità, anche il rischio di errore aumenta notevolmente. Con il trasferimento ad alta velocità, tutto deve essere impostato con precisione. Questo ci porta al terzo problema:come fai a sapere cosa è preciso?

Richiede misurazioni. E preferibilmente misurazioni durante il processo di trasferimento vero e proprio. Il team della DTU è convinto che la soluzione migliore su questo metodo sia il controllo di qualità mediante radiazioni terahertz.

Peter Bøggild sottolinea che questi tre problemi non sono stati risolti solo con il nuovo metodo:"Abbiamo compiuto un passo molto significativo. Abbiamo convertito una macchina di laminazione in un cosiddetto sistema di trasferimento roll-2-roll. Solleva delicatamente il grafene strato dal rotolo di rame su cui è cresciuto lo strato di grafene e lo sposta su un foglio di plastica senza che si rompa, diventi raggrinzito o sporco.Quando lo combiniamo con il sistema terahertz, possiamo immediatamente vedere se il processo è andato bene. se abbiamo grafene ininterrotto con bassa resistenza elettrica", afferma Peter Bøggild. + Esplora ulteriormente

I ricercatori si avvicinano al controllo del grafene bidimensionale