National Physical Laboratory (NPL) har samarbetat med Chalmers tekniska högskola och Linköpings universitet i Sverige för att hjälpa till att utveckla ett snabbt och billigt verktyg för kvalitetskontroll av grafen odlad på kiselkarbid.

Grafen tillverkades ursprungligen med en metod som kallas "exfoliering" som går ut på att dra isär grafit, till exempel med tejp, tills du är kvar med ett kollager en atom tjockt. Även om detta producerar grafen av hög kvalitet, metoden är inte lämplig för massproduktion och kommersiella tillämpningar.

En alternativ metod är att odla grafen epitaxiellt (i lager) från en kristall av kiselkarbid vid hög temperatur. NPL och samarbetspartners använde nyligen grafen som odlats på detta sätt för att utveckla en överlägsen Hall-kvantresistensstandard. Dock, att öka produktionen av grafen till de nivåer och perfektion som krävs av elektronikindustrin, snabba och billiga mätverktyg för kvalitetskontroll krävs.

Den nya kvalitetskontrolltekniken, publiceras i Nanobokstäver , är baserad på optisk mikroskopi och kan användas för att förstå effekten av kiselkarbidsubstratet på kvaliteten på grafenskiktet. Man trodde tidigare att kontrasten mellan grafen på kiselkarbid var för låg för att kunna observeras direkt med ett optiskt mikroskop. Men, genom att analysera optiska bilder och jämföra dem med elektriska mätningar, tekniken kunde identifiera enstaka grafenlager endast 0,3 nanometer tjocka.

I en praktisk demonstration, forskarna byggde grafenenheter på specifika delar av kiselkarbiden, som de lokaliserade med hjälp av optisk mikroskopiteknik. Förutom att identifiera enskilda lager av grafen, de kunde visualisera funktioner som trappade terrasser på kiselkarbidsubstratet och områden med flerskiktsgrafen. De testade sedan de elektriska egenskaperna hos enheterna som byggdes på varje område. Resultaten bekräftade förmågan hos det optiska mikroskopet att detektera områden med olika topografi och lagertäckning av grafen.

Denna forskning visar hur optisk mikroskopi kan upptäcka defekter under tillväxten av grafen på kiselkarbid. Resultaten som produceras är jämförbara med andra mer utvecklade tekniker men är snabbare att erhålla och icke-invasiva. Detta gör den optiska mikroskopitekniken till en främsta kandidat för industriell kvalitetskontroll.

NPL:s bidrag till projektet var att kvantifiera de optiska bilderna och att validera de optiska mikroskopidata med hjälp av väletablerade tekniker som scanning Kelvin-sondmikroskopi. Detta arbete stöddes av EU:s sjunde ramprogram (FP7)-projektet ConceptGraphene och IRD-grafenprojektet från UK National Measurement Office.

NPL gick nyligen med i Graphene Stakeholders Association för att främja en ansvarsfull utveckling av grafen och grafen-aktiverade teknologier.

Mer om NPL:s arbete med Graphene.