Forskere laver verdens tyndeste juletræ

Der er lavet et juletræ med en tykkelse på et atom på DTU. Den viser, hvordan terahertz-målinger kan bruges til at sikre kvaliteten af ​​grafen.

Juletræet på billederne ovenfor er 14 centimeter langt. Da det er lavet af grafen, består det kun af kulstofatomer i ét lag og er kun en tredjedel af en nanometer tykt. Den er skåret ud af en 10 meter lang rulle grafen, overført i ét stykke ved hjælp af en ombygget lamineringsmaskine og derefter scannet med terahertz-stråling.

Forsøget viser, at der kan foretages kontinuerlig kvalitetskontrol under produktionen af ​​grafen, som forventes at spille en væsentlig rolle i fremtidens højhastighedselektronik, det vil sige medicinske instrumenter og sensorer.

Grafen er et såkaldt todimensionelt materiale, det vil sige, at det består af atomer i ét sammenhængende lag, der kun er ét atom tyndt. Det er mere robust, stivere og bedre til at lede strøm og varme end noget andet materiale, vi kender til. Derfor er grafen en oplagt kandidat til elektroniske kredsløb, der fylder mindre, vejer mindre, er bøjelige og er mere effektive end den elektronik, vi kender i dag.

"Selv hvis du kunne lave en blyantstegning af et juletræ og løfte det af papiret - hvilket i overført betydning er, hvad vi har gjort - ville det være meget tykkere end et atom. En bakterie er f.eks. 3000 gange tykkere end grafenet. lag, vi brugte. Derfor tør jeg godt kalde dette verdens tyndeste juletræ. Og selvom udgangspunktet er kulstof, ligesom grafitten i en blyant, er grafen samtidig endnu mere ledende end kobber. "Tegningen" er lavet i ét perfekt lag i ét stykke," siger professor Peter Bøggild, der leder holdet bag juletræsforsøget.

"Men bag julejoken gemmer sig et vigtigt gennembrud. For første gang lykkedes det os at lave en in-line kvalitetskontrol af grafenlaget, mens vi overførte det. Dette er nøglen til at opnå stabile, reproducerbare og brugbare materialeegenskaber, hvilket er forudsætningen for at udnytte grafen i fx elektroniske kredsløb."

30.000 gange tyndere end køkkenfilm

Som forskerne har gjort i dette tilfælde, kan grafenet "dyrkes" på kobberfilm. Grafenen aflejres på en rulle kobberfolie ved omkring 1000°C. Den proces er velkendt og velfungerende. Men meget kan gå galt, når den ultratynde grafenfilm flyttes fra kobbervalsen, hvor den bruges. Da grafen er 30.000 gange tyndere end køkkenfilm, er det en krævende proces. Forsker Abhay Shivayogimath har stået bag flere nye opfindelser i DTU's overførselsproces, der sikrer en stabil overførsel af grafenlagene fra kobberrullen.

Desuden har der ikke været nogen teknologi, der kunne kontrollere den elektriske kvalitet af grafen på farten - mens den overføres. I år har Peter Bøggild og hans kollega professor Peter Uhd Jepsen fra DTU Fotonik, en af ​​verdens førende terahertz-forskere, etableret en måde at gøre det på.

De farvede billeder er målinger af, hvordan grafenlaget absorberer terahertz-stråling. Absorptionen er direkte relateret til den elektriske ledningsevne:Jo bedre ledende grafen, jo bedre absorberer den.

Terahertz-stråler er højfrekvente radiobølger, der ligger mellem infrarød stråling og mikrobølger. Ligesom røntgenstråler kan de bruges til at scanne menneskekroppe, som vi kender det fra lufthavnssikkerheden. Terahertz-stråler kan også tage billeder af grafenlagets elektriske modstand. Ved at tilslutte terahertz-scanneren til maskinen, der overfører grafenfilmen, er det muligt at afbilde filmens elektriske egenskaber under overførselsprocessen.

Officiel international målestandard

Antag, at implementeringen af ​​grafen og andre 2D-materialer skal accelereres. I så fald er en løbende kvalitetssikring en forudsætning, siger Peter Bøggild. Kvalitetskontrol går forud for tillid, siger han. Teknologien kan garantere, at grafen-baserede teknologier fremstilles mere ensartet og forudsigeligt med færre fejl. I år blev DTU-forskernes metode godkendt som den første officielle internationale målestandard for grafen. Deres metode blev beskrevet tidligere på året i artiklen 'Terahertz-billeddannelse af grafen baner vejen til industrialisering.'

Potentialet er fremragende. Grafen og andre todimensionelle materialer kan f.eks. muliggøre fremstilling af højhastighedselektronik, der udfører lynhurtige beregninger med langt mindre strømforbrug end de teknologier, vi bruger i dag. Men før grafen kan blive mere udbredt i industriel skala og bruges i elektronik, møder vi i hverdagen tre hovedproblemer, der skal løses.

For det første er prisen for høj. Der skal mere og hurtigere produktion til for at få prisen ned. Men dermed står man overfor det andet problem:Når man øger hastigheden og ikke samtidig kan tjekke kvaliteten, stiger risikoen for fejl også dramatisk. Ved højhastighedsoverførsel skal alt indstilles præcist. Dette bringer os til det tredje problem:Hvordan ved du, hvad der er præcist?

Det kræver målinger. Og gerne målinger under selve overførselsprocessen. DTU-teamet er overbevist om, at det bedste bud på den metode er kvalitetskontrol ved hjælp af terahertz-stråling.

Peter Bøggild understreger, at disse tre problemer ikke er løst med den nye metode alene:"Vi har taget et meget markant skridt. Vi har ombygget en lamineringsmaskine til et såkaldt roll-2-roll transfer system. Den løfter forsigtigt grafenet. lag fra kobberrullen som grafenlaget er dyrket på og flytter det over på plastfolie uden at det knækker, bliver rynket eller snavset.Når vi kombinerer dette med terahertzsystemet, kan vi med det samme se om processen er gået godt Dvs. om vi har ubrudt grafen med lav elektrisk modstand,« siger Peter Bøggild. + Udforsk yderligere

Forskere rykker tættere på at kontrollere todimensionel grafen