Terahertz-beeldvorming van grafeen effent de weg naar industrialisatie

Röntgenscans zorgden voor een revolutie in medische behandelingen doordat we in mensen konden kijken zonder operatie. Evenzo dringt terahertz-spectroscopie door grafeenfilms waardoor wetenschappers gedetailleerde kaarten kunnen maken van hun elektrische kwaliteit, zonder het materiaal te beschadigen of te vervuilen. Het Graphene Flagship bracht onderzoekers uit de academische wereld en de industrie samen om deze analytische techniek te ontwikkelen en te rijpen, en nu is er een nieuw meetinstrument voor grafeenkarakterisering klaar.

De inspanning was mogelijk dankzij de samenwerkingsomgeving mogelijk gemaakt door het Graphene Flagship European consortium, met deelname van wetenschappers van Graphene Flagship-partners DTU, Denemarken, IIT, Italië, Aalto University, Finland, AIXTRON, VK, imec, België, Graphenea, Spanje, Universiteit van Warschau, Polen, en Thales R&T, Frankrijk, evenals medewerkers in China, Korea en de VS.

Grafeen wordt vaak ‘ingeklemd’ tussen veel verschillende lagen en materialen voor gebruik in elektronische en fotonische apparaten. Dit bemoeilijkt het proces van kwaliteitsbeoordeling. Terahertz-spectroscopie maakt dingen gemakkelijker. Het beeldt de ingekapselde materialen af ​​en onthult de kwaliteit van het grafeen eronder, waardoor imperfecties op kritieke punten in het fabricageproces worden blootgelegd. Het is een snelle, niet-destructieve technologie die de elektrische eigenschappen van grafeen en gelaagde materialen onderzoekt, zonder dat er direct contact nodig is.

De ontwikkeling van karakterisatietechnieken zoals terahertz-spectroscopie is fundamenteel voor het versnellen van grootschalige productie, omdat ze garanderen dat grafeen-compatibele apparaten consistent en voorspelbaar worden gemaakt, zonder gebreken. Kwaliteitscontrole gaat vooraf aan vertrouwen. Dankzij andere ontwikkelingen die door het Graphene Flagship zijn gepionierd, zoals de roll-to-roll-productie van grafeen en gelaagde materialen, is de fabricagetechnologie klaar om de volgende stap te zetten. Met Terahertz-spectroscopie kunnen we de grafeenproductie opvoeren zonder de kwaliteit uit het oog te verliezen.

“Dit is de techniek die we nodig hadden om te voldoen aan de hoge productieniveaus die mogelijk worden gemaakt door het Graphene Flagship”, legt Peter Bøggild van Graphene Flagship-partner DTU uit. “We zijn ervan overtuigd dat terahertz-spectroscopie bij de productie van grafeen net zo routineus zal worden als röntgenscans in ziekenhuizen”, voegt hij eraan toe. “Dankzij terahertz-spectroscopie kun je zelfs eenvoudig grafeenmonsters op meterschaal in kaart brengen zonder ze aan te raken, wat niet mogelijk is met sommige andere state-of-the-art technieken.” Bovendien bestudeert het Graphene Flagship momenteel hoe terahertz-spectroscopie rechtstreeks kan worden toegepast op roll-to-roll grafeenproductielijnen en hoe de beeldvorming kan worden versneld.

Samenwerking was de sleutel tot deze prestatie. Graphene Flagship-onderzoekers in academische instellingen werkten nauw samen met toonaangevende grafeenfabrikanten zoals Graphene Flagship-partners AIXTRON, Graphenea en IMEC. “Dit is de beste manier om ervoor te zorgen dat onze oplossing relevant is voor onze eindgebruikers, bedrijven die grafeen en gelaagde materialen op industriële schaal maken”, zegt Bøggild. “Onze publicatie is een uitgebreide casestudy die de veelzijdigheid en betrouwbaarheid van terahertz-spectroscopie voor kwaliteitscontrole benadrukt en die onze collega’s zou moeten begeleiden bij het toepassen van de techniek op vele industrieel relevante substraten zoals silicium, saffier, siliciumcarbide en polymeren.” hij voegt toe.

Het stellen van normen is een belangrijke stap voor de ontwikkeling van elk nieuw materiaal, om ervoor te zorgen dat het veilig en authentiek is en zowel betrouwbare als consistente prestaties levert. Daarom heeft het Graphene Flagship een toegewijde werkgroep gericht op de standaardisatie van grafeen, meet- en analytische technieken en fabricageprocessen. De nieuw ontwikkelde methode voor terahertz-spectroscopie ligt op schema om een ​​technische standaardspecificatie te worden, dankzij het werk van de Graphene Flagship Standardization Committee. “Dit zal ongetwijfeld de introductie van deze nieuwe technologie versnellen, aangezien het zal aangeven hoe analyse en vergelijking van grafeenmonsters op een reproduceerbare manier kunnen worden gedaan”, legt Peter Jepsen van Graphene Flagship Partner DTU uit, die co-auteur is van het onderzoek. “Terahertz-spectroscopie is weer een stap om het vertrouwen in producten met grafeen te vergroten”, besluit hij.

Amaia Zurutuza, co-auteur van de paper en wetenschappelijk directeur bij Graphene Flagship-partner Graphenea, zegt: “ Bij Graphenea zijn we ervan overtuigd dat terahertz-beeldvorming de ontwikkeling van kwaliteitscontroletechnieken mogelijk maakt die in staat zijn om aan de productiedoorvoervereisten te voldoen en relevante informatie over grafeenkwaliteit te leveren. , wat essentieel is op onze weg naar de succesvolle industrialisatie van grafeen. “

Thurid Gspann, de voorzitter van de Graphene Flagship Standardization Committee, zegt: “This terahertz [spectroscopy] De techniek zal naar verwachting algemeen worden toegepast door de industrie. Het vereist geen specifieke monstervoorbereiding en het is een mappingtechniek die het mogelijk maakt om grote gebieden op een tijdbesparende manier te analyseren. “

Marco Romagnoli, Graphene Flagship Division Leader for Electronics and Photonics Integration, voegt hieraan toe: “De terahertz-spectroscopietool voor toepassing op waferschaal is een geavanceerd, hoog TRL-systeem om meerlagige stapels op wafers die CVD-grafeen bevatten te karakteriseren. werkt in korte tijd en met een goede nauwkeurigheid, en biedt de belangrijkste parameters van belang, zoals draaggolfmobiliteit, geleidbaarheid, verstrooiingstijd en draaggolfdichtheid. Deze hoogwaardige technische prestatie is ook een voorbeeld van het voordeel dat het deel uitmaakt van een groot samenwerkingsproject zoals het Graphene Flagship. “

Andrea C. Ferrari, Science and Technology Officer van het Graphene Flagship en voorzitter van het Management Panel, voegt eraan toe: “Nogmaals, Graphene Flagship-onderzoekers pionieren met een nieuwe karakteriseringstechniek om de ontwikkeling van grafeentechnologie te vergemakkelijken. Dit helpt ons gestaag vooruitgang te boeken op onze innovatie en technologie-routekaart en zal de industriële opname van grafeen in een breed scala van toepassingen ten goede komen. ”