Grafeen van het laboratorium naar de fabriek verplaatsen: hoe 2D-materialen de dagelijkse elektronica kunnen transformeren

Grafeen heeft zijn belofte in het laboratorium waargemaakt. Nu werken EU-onderzoekers aan het ondersteunen van de bredere toepassing ervan in hoogwaardige elektronica, fotonica en sensoren.

Dr. Inge Asselberghs is de afgelopen tien jaar nauw betrokken geweest bij geavanceerd grafeenonderzoek. Tegenwoordig loopt ze voorop bij de inspanningen om dit ‘wondermateriaal’ uit het laboratorium en in de samenleving te brengen.

Asselberghs maakt deel uit van een internationaal team van onderzoekers dat een prototypeproductiefaciliteit voor grafeen en andere 2D-materialen heeft opgezet bij Imec, een toonaangevend mondiaal onderzoeksinstituut voor nano-elektronica, gevestigd in Leuven, België.

Het team bundelt expertise van 11 universiteiten, onderzoeksinstituten en bedrijven in zes Europese landen als onderdeel van de 2D experimentele pilotlijn (2D-EPL). Hun doel is om de productie en integratie van grafeen in prototypes te bevorderen voor gebruik in hoogwaardige elektronica, fotonica en sensoren.

Grafeen heeft het potentieel om veel technologische gebieden fundamenteel te transformeren. Het bestaat uit slechts één laag koolstofatomen en is extreem dun.

Grafeen is uitzonderlijk sterk, licht en flexibel en kan zowel warmte als elektriciteit geleiden. Dit maakt het zeer aanpasbaar voor een breed scala aan producten, van batterijen van de volgende generatie tot geavanceerde luchtvaart- en ruimtevaarttoepassingen.

“De hype begon zodra grafeen werd ontdekt. ​​Het was veel sterker dan aanvankelijk werd verwacht”, zegt Asselberghs.

De EU erkende het economische potentieel van grafeen en andere 2D-materialen en lanceerde in 2013 het 10-jarige Graphene Flagship-initiatief, waarbij 178 academische en industriële partners met een budget van 1 miljard euro samenkwamen om onderzoek op dit gebied te stimuleren. 2D-EPL maakt deel uit van dit omvangrijke initiatief.

Experimentele prototypes

Het doel van de experimentele pilotlijn, opgezet op meerdere locaties, was het versnellen van het gebruik van grafeen en andere gelaagde materialen bij de vervaardiging van nieuwe prototypes voor elektronica, fotonica, sensoren en opto-elektronica. Dit zal een cruciale stap zijn voordat 2D-materialen kunnen worden geïntegreerd in de volledige chipproductie.

“Ons eerste doel was om erachter te komen hoe we grafeenapparaten op wafelschaal kunnen maken door bestaande processen aan te passen, zodat ze in geautomatiseerde productiefaciliteiten kunnen worden verwerkt”, zegt Asselberghs.

Wafers zijn dunne ronde plakjes materiaal voor gebruik in de elektronica en andere industrieën. Het bereiken van het stadium waarin grafeen routinematig kan worden opgenomen in geavanceerde apparaten zou een belangrijke mijlpaal zijn.

Vlekkeloze productie

Een nadeel is dat de dunheid van grafeen en andere 2D-materialen het lastig kan maken om ze feilloos te vervaardigen. Er is slechts een stofje, of zelfs een paar ongewenste moleculen, nodig om defecten in grafeen te veroorzaken.

Tijdens het productieproces moet grafeen worden beschermd door een dunne polymeerlaag en vervolgens worden overgebracht naar een siliciumbasis. Met deze dunne lagen moet uiterst voorzichtig worden omgegaan. Het was een uitdaging om uit te zoeken hoe je dit in een geautomatiseerd proces kon doen.

“Je kamer en je gereedschap moeten supergecontroleerd en schoon zijn om te voorkomen dat er deeltjes op je apparaat terechtkomen”, zegt Asselberghs.

In de speciale productiefaciliteit van Imec werd een assemblagelijn opgezet om wafers te verwerken met grafeen met een doorsnede van 200 of 300 mm, een standaardformaat dat wordt gebruikt in siliciumproductiefaciliteiten en daarom bekend is in de industrie.

Andere onderzoekspartners voegden hulpmiddelen, machines en kennis toe om het perfecte grafeenrecept te helpen ‘koken’, aangezien grootschalige productie delicaat blijft.

Spannend potentieel

Europa is een wereldleider geweest in het onderzoeken van het potentieel van grafeen en andere 2D-materialen.

“We bevinden ons in een behoorlijk sterke positie in Europa op het gebied van 2D-materialen, omdat we al lang consistente financiering voor dit onderzoek hebben”, zegt Harm Knoops, een Nederlandse onderzoeker bij Oxford Instruments Plasma Technology uit Bristol, VK.

Zijn bedrijf is gespecialiseerd in het gebruik van plasmatechnologie voor het creëren en manipuleren van materie met nauwkeurigheid op atomaire schaal en heeft bijgedragen aan het productieproces in 2D-EPL.

De opwinding onder onderzoekers en industrieën rond 2D-materialen richt zich niet alleen op grafeen. De onderzoekers zijn ook geïnteresseerd in andere superdunne materialen die – net als silicium – kunnen fungeren als halfgeleiders en kunnen worden gebruikt in geavanceerde productieprocessen.

Het potentieel van deze materialen heeft belangstelling gewekt uit vele sectoren van de industrie. Potentiële klanten hebben al contact gehad met het onderzoeksteam met specifieke ontwerpverzoeken.

Op de drempel

Een groot voordeel van grafeen is dat het bestaat uit koolstof, een van de meest voorkomende elementen op aarde. De hoop is dat de integratie van grafeen de goedkope en grootschalige productie van geavanceerde elektronica en sensoren zal ondersteunen, en de ontwikkeling van apparaten mogelijk zal maken die nog niet eens zijn uitgevonden.

Hoewel het nog niet klaar is voor industriële uitrol als onderdeel van geavanceerde elektronica, zullen grafeen en andere 2D-materialen uiteindelijk zeker de markt bereiken. Ze zouden kunnen leiden tot betere apparaten met supersnelle transistors of scherpere sensoren, zegt Knoops, wiens bedrijf deel uitmaakte van het Graphene Flagship.

“Het kan betekenen dat datacenters minder stroom verbruiken, of dat je internet sneller is, of dat je een speciale sensor of medisch apparaat op je telefoon kunt laten aansluiten.”