Röntgenundersökningar revolutionerade medicinska behandlingar genom att tillåta oss att se inuti människor utan operation. Liknande, terahertz-spektroskopi penetrerar grafenfilmer som gör det möjligt för forskare att göra detaljerade kartor över deras elektriska kvalitet, utan att skada eller förorena materialet. The Graphene Flagship samlade forskare från akademi och industri för att utveckla och mogna denna analytiska teknik, och nu är ett nytt mätverktyg för grafenkarakterisering klart.

Insatsen var möjlig tack vare den samarbetsmiljö som möjliggörs av Graphene Flagship European Consortium, med deltagande av forskare från Graphene Flagship partners DTU, Danmark, JAG DET, Italien, Aalto-universitetet, Finland, AIXTRON, STORBRITANNIEN, imec, Belgien, Graphenea, Spanien, Warszawas universitet, Polen, och Thales R&T, Frankrike, såväl som samarbetspartners i Kina, Korea och USA.

Grafen är ofta "sandwich" mellan många olika lager och material som ska användas i elektroniska och fotoniska enheter. Detta komplicerar processen för kvalitetsbedömning. Terahertz-spektroskopi gör det enklare. Den avbildar de inkapslade materialen och avslöjar kvaliteten på grafenen under, exponerar brister vid kritiska punkter i tillverkningsprocessen. Det är en snabb, oförstörande teknologi som undersöker de elektriska egenskaperna hos grafen och skiktade material, utan behov av direktkontakt.

Utvecklingen av karakteriseringstekniker som terahertzspektroskopi är grundläggande för att påskynda storskalig produktion, eftersom de garanterar att grafenaktiverade enheter tillverkas konsekvent och förutsägbart, utan brister. Kvalitetskontroll går före förtroende. Tack vare andra utvecklingar pionjärer av Graphene Flagship, såsom rulle-till-rulle-tillverkning av grafen och skiktade material, tillverkningstekniken är redo att ta nästa steg. Terahertz-spektroskopi tillåter oss att öka produktionen av grafen utan att tappa kvaliteten ur sikte.

"Det här är tekniken vi behövde för att matcha de höga produktionsnivåerna som möjliggörs av Graphene Flagship, " förklarar Peter Bøggild från Graphene Flagship partner DTU. "Vi är övertygade om att terahertz-spektroskopi vid grafentillverkning kommer att bli lika rutin som röntgenundersökningar på sjukhus, " tillägger han. "Faktiskt, tack vare terahertz-spektroskopi kan du enkelt kartlägga grafenprover i meterskala utan att röra dem, vilket inte är möjligt med vissa andra toppmoderna tekniker." Dessutom, The Graphene Flagship studerar för närvarande hur man tillämpar terahertz-spektroskopi direkt i rull-till-rulle grafenproduktionslinjer, och påskynda bildtagningen.

Samarbete var nyckeln till denna prestation. Graphene Flagship-forskare vid akademiska institutioner arbetade nära med ledande grafentillverkare som Graphene Flagship-partners AIXTRON, Graphenea och IMEC. "Detta är det bästa sättet att säkerställa att vår lösning är relevant för våra slutanvändare, företag som tillverkar grafen och skiktade material i industriell skala, " säger Bøggild. "Vår publikation är en omfattande fallstudie som belyser mångsidigheten och tillförlitligheten hos terahertzspektroskopi för kvalitetskontroll och bör vägleda våra kollegor i att tillämpa tekniken på många industriellt relevanta substrat såsom kisel, safir, kiselkarbid och polymerer." tillägger han.

Att sätta standarder är ett viktigt steg för utvecklingen av något nytt material, för att säkerställa att det är säkert, äkta och kommer att erbjuda en prestanda som är både pålitlig och konsekvent. Det är därför Graphene Flagship har en dedikerad arbetsgrupp fokuserad på standardisering av grafen, mätnings- och analystekniker och tillverkningsprocesser. Den nyutvecklade metoden för terahertz-spektroskopi är på väg att bli en teknisk standardspecifikation, tack vare arbetet i Graphene Flagship Standardization Committee. "Detta kommer utan tvekan att påskynda upptagandet av denna nya teknik, eftersom det kommer att beskriva hur analys och jämförelse av grafenprover kan göras på ett reproducerbart sätt, " förklarar Peter Jepsen från Graphene Flagship Partner DTU, som är medförfattare till studien. "Terahertz-spektroskopi är ännu ett steg för att öka förtroendet för grafenaktiverade produkter, " avslutar han.

Amaia Zurutuza, medförfattare till artikeln och vetenskaplig chef på Graphene Flagship Partner Graphenea, säger:"På Graphenea, vi är övertygade om att terahertz-avbildning kan möjliggöra utvecklingen av kvalitetskontrolltekniker som kan matcha tillverkningens genomströmningskrav och tillhandahålla relevant grafenkvalitetsinformation, vilket är avgörande för vår väg mot en framgångsrik industrialisering av grafen."

Thurid Gspann, ordföranden för standardiseringskommittén för grafen flaggskepp, säger, "Denna terahertz-teknik [spektroskopi] förväntas bli allmänt antagen av industrin. Den kräver ingen speciell provberedning och är en kartläggningsteknik som gör att man kan analysera stora områden på ett tidseffektivt sätt."

Marco Romagnoli, Graphene flaggskeppsavdelningsledare för integration av elektronik och fotonik, lägger till, "Terahertz-spektroskopiverktyget för applicering i wafer-skala är ett toppmodernt, högt TRL-system för att karakterisera flerskiktsstaplar på wafers som innehåller CVD-grafen. Det fungerar på kort tid och med god precision, och ger de viktigaste parametrarna av intresse, såsom mobilitet för operatörer, ledningsförmåga, spridningstid och bärartäthet. Denna högvärdiga tekniska prestation är också ett exempel på fördelen med att vara en del av ett stort samarbetsprojekt som Graphene Flagship."

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer för Graphene Flagship och ordförande för dess ledningspanel, lägger till, "Återigen, Grafen flaggskeppsforskare banar väg för en ny karakteriseringsteknik för att underlätta utvecklingen av grafenteknologi. Detta hjälper oss att gå stadigt framåt på vår innovations- och teknikfärdplan och kommer att gynna det industriella upptaget av grafen i ett brett spektrum av applikationer."