En julgran med en tjocklek på en atom har tillverkats på DTU. Den visar hur terahertz-mätningar kan användas för att säkerställa kvaliteten på grafen.

Julgranen på bilderna ovan är 14 centimeter lång. Eftersom den är gjord av grafen består den av kolatomer i endast ett lager och är bara en tredjedel av en nanometer tjock. Den skärs ut ur en 10 meter lång rulle grafen, överförs i ett stycke med hjälp av en ombyggd lamineringsmaskin och skannas sedan med terahertzstrålning.

Experimentet visar att kontinuerlig kvalitetskontroll kan göras under produktionen av grafen, vilket förväntas spela en betydande roll i framtidens höghastighetselektronik, det vill säga medicinska instrument och sensorer.

Grafen är ett så kallat tvådimensionellt material, det vill säga det består av atomer i ett sammanhängande lager som bara är en atom tunt. Det är mer robust, styvare och bättre på att leda el och värme än något annat material vi känner till. Därför är grafen en självklar kandidat för elektroniska kretsar som tar mindre plats, väger mindre, är böjbara och är effektivare än den elektronik vi känner till idag.

"Även om du kunde göra en pennteckning av en julgran och lyfta den från pappret - vilket bildligt talat är vad vi har gjort - skulle den vara mycket tjockare än en atom. En bakterie är t.ex. 3000 gånger tjockare än grafenet. lager vi använde. Det är därför jag vågar kalla detta för världens tunnaste julgran. Och även om utgångspunkten är kol, precis som grafiten i en penna, är grafen samtidigt ännu mer ledande än koppar. "Teckningen" är gjord i ett perfekt lager i ett stycke, säger professor Peter Bøggild som ledde teamet bakom julgransexperimentet.

"Men bakom julskämtet döljer sig ett viktigt genombrott. För första gången lyckades vi göra en in-line kvalitetskontroll av grafenskiktet samtidigt som vi överförde det. Att göra detta är nyckeln till att få stabila, reproducerbara och användbara materialegenskaper, vilket är förutsättningen för att använda grafen i t ex elektroniska kretsar."

30 000 gånger tunnare än köksfilm

Som forskarna har gjort i det här fallet kan grafenet "odlas" på kopparfilm. Grafenen avsätts på en rulle kopparfolie vid cirka 1000°C. Den processen är välkänd och välfungerande. Men mycket kan gå fel när den ultratunna grafenfilmen flyttas från kopparvalsen till där den används. Eftersom grafen är 30 000 gånger tunnare än köksfilm är det en krävande process. Forskaren Abhay Shivayogimath har legat bakom flera nya uppfinningar i DTU:s överföringsprocess, som säkerställer en stabil överföring av grafenskikten från kopparrullen.

Dessutom har det inte funnits någon teknik som kunde kontrollera den elektriska kvaliteten hos grafen när du är på språng - medan den överförs. I år etablerade Peter Bøggild och hans kollega professor Peter Uhd Jepsen från DTU Fotonik, en av världens ledande terahertzforskare, ett sätt att göra det.

De färgade bilderna är mått på hur grafenskiktet absorberar terahertzstrålning. Absorptionen är direkt relaterad till den elektriska ledningsförmågan:ju bättre ledande grafen är, desto bättre absorberar den.

Terahertz-strålar är högfrekventa radiovågor som ligger mellan infraröd strålning och mikrovågor. Liksom röntgenstrålar kan de användas för att skanna människokroppar, som vi känner det från flygplatssäkerhet. Terahertz-strålar kan också ta bilder av grafenskiktets elektriska resistans. Genom att ansluta terahertz-skannern till maskinen som överför grafenfilmen är det möjligt att avbilda filmens elektriska egenskaper under överföringsprocessen.

Officiell internationell mätstandard

Antag att implementeringen av grafen och andra 2D-material ska påskyndas. I så fall är en löpande kvalitetssäkring en förutsättning, säger Peter Bøggild. Kvalitetskontroll går före förtroende, säger han. Tekniken kan garantera att grafenbaserade teknologier tillverkas mer enhetligt och förutsägbart med färre fel. I år godkändes DTU-forskarnas metod som den första officiella internationella mätstandarden för grafen. Deras metod beskrevs tidigare i år i artikeln "Terahertz-avbildning av grafen banar väg för industrialisering."

Potentialen är utmärkt. Grafen och andra tvådimensionella material kan t.ex. möjliggör tillverkning av höghastighetselektronik som utför blixtsnabba beräkningar med mycket mindre strömförbrukning än de tekniker vi använder idag. Men innan grafen kan bli mer utbrett i industriell skala och användas i elektronik, möter vi i vardagen tre huvudproblem som måste lösas.

För det första är priset för högt. Det krävs mer och snabbare produktion för att få ner priset. Men med det står man inför det andra problemet:När man ökar hastigheten och inte samtidigt kan kontrollera kvaliteten ökar också risken för fel dramatiskt. Vid höghastighetsöverföring måste allt ställas in exakt. Detta för oss till det tredje problemet:Hur vet du vad som är exakt?

Det kräver mätningar. Och gärna mätningar under själva överföringsprocessen. DTU-teamet är övertygat om att det bästa alternativet på den metoden är kvalitetskontroll med terahertzstrålning.

Peter Bøggild understryker att dessa tre problem inte har lösts enbart med den nya metoden:"Vi har tagit ett mycket betydande steg. Vi har konverterat en lamineringsmaskin till ett så kallat roll-2-roll transfer system. Den lyfter försiktigt grafenet. lager från kopparrullen som grafenlagret odlas på och flyttar det över på plastfolie utan att det går sönder, blir skrynkligt eller smutsigt. När vi kombinerar detta med terahertzsystemet kan vi direkt se om processen har gått bra Dvs. om vi har obruten grafen med lågt elektriskt motstånd, säger Peter Bøggild. + Utforska vidare

Forskare går närmare att kontrollera tvådimensionell grafen