En la DTU se ha fabricado un árbol de Navidad con un grosor de un átomo. Muestra cómo las mediciones de terahercios pueden utilizarse para garantizar la calidad del grafeno.
El árbol de Navidad de las fotos mide 14 centímetros. Al estar hecho de grafeno, está formado por átomos de carbono en una sola capa y sólo tiene un tercio de nanómetro de grosor. Se corta de un rollo de grafeno de 10 metros de largo, se transfiere en una sola pieza mediante una máquina laminadora reconstruida y luego se escanea con radiación de terahercios.
El experimento demuestra que se puede realizar un control de calidad continuo durante la producción de grafeno, que se espera que desempeñe un papel importante en la futura electrónica de alta velocidad, es decir, en instrumentos médicos, y en sensores.
El grafeno es un material llamado bidimensional, es decir, está formado por átomos en una capa cohesiva de sólo un átomo de grosor. Es más robusto, más rígido y conduce mejor la electricidad y el calor que cualquier otro material que conozcamos. Por lo tanto, el grafeno es un candidato obvio para los circuitos electrónicos que ocupan menos espacio, pesan menos, son flexibles y son más eficientes que la electrónica que conocemos hoy.
"Incluso si se pudiera hacer un dibujo a lápiz de un árbol de Navidad y levantarlo del papel -que, en sentido figurado, es lo que hemos hecho-, sería mucho más grueso que un átomo. Una bacteria es, por ejemplo, 3000 veces más gruesa que la capa de grafeno que hemos utilizado. Por eso me atrevo a llamarlo el árbol de Navidad más fino del mundo. Y aunque el punto de partida es el carbono, como el grafito de un lápiz, el grafeno es al mismo tiempo más conductor que el cobre. El "dibujo" está hecho en una capa perfecta de una sola pieza", dice el profesor Peter Bøggild, que dirige el equipo que está detrás del experimento del árbol de Navidad.
"Pero detrás de la broma navideña se esconde un importante avance. Por primera vez, hemos conseguido hacer un control de calidad en línea de la capa de grafeno mientras la transferíamos. Hacer esto es la clave para conseguir unas propiedades del material estables, reproducibles y utilizables, que es el requisito previo para utilizar el grafeno, por ejemplo, en circuitos electrónicos."
30.000 veces más delgado que una película de cocina
Como han hecho los investigadores en este caso, el grafeno puede "crecer" sobre una lámina de cobre. El grafeno se deposita en un rollo de lámina de cobre a unos 1.000 °C. Ese proceso es bien conocido y funciona bien. Pero muchas cosas pueden ir mal cuando la película ultrafina de grafeno se traslada desde el rodillo de cobre hasta el lugar donde se utiliza. Como el grafeno es 30.000 veces más fino que la película de cocina, es un proceso exigente. El investigador Abhay Shivayogimath ha estado detrás de varios inventos nuevos en el proceso de transferencia de la DTU, que garantizan una transferencia estable de las capas de grafeno desde el rodillo de cobre.
Además, no existía ninguna tecnología que pudiera controlar la calidad eléctrica del grafeno sobre la marcha, mientras se transfería. Este año, Peter Bøggild y su colega, el profesor Peter Uhd Jepsen, de la DTU Fotonik, uno de los principales investigadores de terahercios del mundo, establecieron una forma de hacerlo.
Las imágenes en color son mediciones de cómo la capa de grafeno absorbe la radiación de terahercios. La absorción está directamente relacionada con la conductividad eléctrica: cuanto mejor es el grafeno conductor, mejor absorbe.
Los rayos terahercios son ondas de radio de alta frecuencia que se sitúan entre la radiación infrarroja y las microondas. Al igual que los rayos X, pueden utilizarse para escanear cuerpos humanos, tal y como lo conocemos en la seguridad de los aeropuertos. Los rayos terahercios también pueden tomar imágenes de la resistencia eléctrica de la capa de grafeno. Si se conecta el escáner de terahercios a la máquina que transfiere la película de grafeno, es posible obtener imágenes de las propiedades eléctricas de la película durante el proceso de transferencia.
Norma internacional oficial de medición
Supongamos que se quiere acelerar la implantación del grafeno y otros materiales 2D. En ese caso, la garantía de calidad permanente es un requisito previo, dice Peter Bøggild. El control de calidad precede a la confianza, dice. La tecnología puede garantizar que las tecnologías basadas en el grafeno se fabriquen de forma más uniforme y predecible, con menos errores. Este año, el método de los investigadores de la DTU fue aprobado como la primera norma de medición oficial internacional para el grafeno. Su método se describió a principios de este año en el artículo Terahertz imaging of graphene paves the way to industrialization.
El potencial es excelente. El grafeno y otros materiales bidimensionales pueden, por ejemplo, permitir la fabricación de aparatos electrónicos de alta velocidad que realicen cálculos a la velocidad del rayo con un consumo de energía mucho menor que el de las tecnologías que utilizamos actualmente. Pero antes de que el grafeno se generalice a escala industrial y se utilice en la electrónica, nos encontramos en la vida cotidiana con tres problemas principales que hay que resolver.
En primer lugar, el precio es demasiado elevado. Se necesita una producción mayor y más rápida para bajar el precio. Pero con ello, nos encontramos con el segundo problema: cuando se aumenta la velocidad y no se puede comprobar al mismo tiempo la calidad, el riesgo de error también aumenta drásticamente. En la transferencia de alta velocidad, todo debe ajustarse con precisión. Esto nos lleva al tercer problema: ¿Cómo se sabe lo que es preciso?
Es necesario realizar mediciones. Y preferiblemente mediciones durante el proceso de transferencia real. El equipo de la DTU está convencido de que la mejor apuesta por ese método es el control de calidad mediante radiación de terahercios.
Peter Bøggild subraya que estos tres problemas no se han resuelto sólo con el nuevo método:
"Hemos dado un paso muy importante. Hemos convertido una máquina de laminación en un sistema de transferencia llamado roll-2-roll. Este sistema levanta suavemente la capa de grafeno del rollo de cobre en el que se cultiva la capa de grafeno y la traslada a una lámina de plástico sin que se rompa, se arrugue o se ensucie. Cuando combinamos esto con el sistema de terahercios, podemos ver inmediatamente si el proceso ha ido bien. Es decir, si tenemos grafeno intacto con baja resistencia eléctrica", dice Peter Bøggild.
Para más información, visite:
https://www.dtu.dk/english/news/2021/12/verdens-tyndeste-juletrae-er-lavet-paa-dtu?id=b464d7c5-894c-44c8-93c6-07dc8b3ed784 [This is automatically translated from English]