Un arbre de Noël d'une épaisseur d'un atome a été fabriqué à DTU. Il montre comment les mesures térahertz peuvent être utilisées pour garantir la qualité du graphène.
Le sapin de Noël représenté sur les photos mesure 14 centimètres de long. Comme il est fait de graphène, il est constitué d'atomes de carbone en une seule couche et ne mesure qu'un tiers de nanomètre d'épaisseur. Il est découpé dans un rouleau de graphène de 10 mètres de long, transféré en une seule pièce à l'aide d'une machine à stratifier reconstruite, puis scanné avec un rayonnement térahertz.
L'expérience montre qu'il est possible d'effectuer un contrôle continu de la qualité pendant la production du graphène, qui devrait jouer un rôle important dans l'électronique à grande vitesse du futur, c'est-à-dire dans les instruments médicaux et les capteurs.
Le graphène est un matériau dit bidimensionnel, c'est-à-dire qu'il est constitué d'atomes dans une couche cohésive d'un seul atome d'épaisseur. Il est plus robuste, plus rigide et meilleur conducteur d'électricité et de chaleur que tout autre matériau connu. Par conséquent, le graphène est un candidat évident pour les circuits électroniques qui prennent moins de place, pèsent moins, sont pliables et sont plus efficaces que l'électronique que nous connaissons aujourd'hui.
"Même si vous pouviez dessiner un arbre de Noël au crayon et le décoller du papier - ce que nous avons fait, au sens figuré - il serait beaucoup plus épais qu'un atome. Une bactérie est, par exemple, 3000 fois plus épaisse que la couche de graphène que nous avons utilisée. C'est pourquoi j'ose appeler cela le sapin de Noël le plus fin du monde. Et bien que le point de départ soit le carbone, tout comme le graphite d'un crayon, le graphène est en même temps encore plus conducteur que le cuivre. Le "dessin" est réalisé en une seule couche parfaite et en un seul morceau", explique le professeur Peter Bøggild, qui a dirigé l'équipe à l'origine de l'expérience du sapin de Noël.
"Mais derrière la blague de Noël se cache une percée importante. Pour la première fois, nous avons réussi à effectuer un contrôle de qualité en ligne de la couche de graphène pendant que nous la transférions. C'est la clé pour obtenir des propriétés matérielles stables, reproductibles et utilisables, ce qui est la condition préalable à l'utilisation du graphène dans les circuits électroniques, par exemple."
30 000 fois plus fin que le film de cuisine Comme l'ont fait les chercheurs dans ce cas, le graphène peut être "cultivé" sur un film de cuivre. Le graphène est déposé sur un rouleau de feuille de cuivre à environ 1000 ° C. Ce procédé est bien connu et fonctionne bien. Mais beaucoup de choses peuvent mal tourner lorsque le film de graphène ultrafin est déplacé du rouleau de cuivre vers son lieu d'utilisation. Le graphène étant 30 000 fois plus fin qu'un film de cuisine, il s'agit d'un processus exigeant. Le chercheur Abhay Shivayogimath est à l'origine de plusieurs nouvelles inventions dans le processus de transfert de la DTU, garantissant un transfert stable des couches de graphène depuis le rouleau de cuivre.
En outre, il n'existait aucune technologie permettant de contrôler la qualité électrique du graphène en cours de transfert. Cette année, Peter Bøggild et son collègue, le professeur Peter Uhd Jepsen de DTU Fotonik, l'un des principaux chercheurs mondiaux dans le domaine des térahertz, ont trouvé un moyen de le faire.
Les images colorées sont des mesures de la façon dont la couche de graphène absorbe le rayonnement térahertz. L'absorption est directement liée à la conductivité électrique : plus le graphène est conducteur, mieux il absorbe.
Les rayons térahertz sont des ondes radio à haute fréquence qui se situent entre le rayonnement infrarouge et les micro-ondes. Comme les rayons X, ils peuvent être utilisés pour scanner les corps humains, comme nous le savons par la sécurité des aéroports. Les rayons térahertz peuvent également prendre des photos de la résistance électrique de la couche de graphène. En connectant le scanner térahertz à la machine qui transfère le film de graphène, il est possible d'imager les propriétés électriques du film pendant le processus de transfert.
Norme de mesure internationale officielle
Supposons que la mise en œuvre du graphène et d'autres matériaux 2D doive être accélérée. Dans ce cas, l'assurance qualité permanente est une condition préalable, déclare Peter Bøggild. Le contrôle de la qualité précède la confiance, dit-il. La technologie peut garantir que les technologies à base de graphène sont fabriquées de manière plus uniforme et prévisible, avec moins d'erreurs. Cette année, la méthode des chercheurs de la DTU a été approuvée en tant que première norme de mesure internationale officielle pour le graphène. Leur méthode a été décrite plus tôt cette année dans l'article intitulé "Terahertz imaging of graphene paves the way to industrialization".
Le potentiel est excellent. Le graphène et d'autres matériaux bidimensionnels peuvent, par exemple, permettre la fabrication d'appareils électroniques à haut débit effectuant des calculs rapides comme l'éclair et consommant beaucoup moins d'énergie que les technologies que nous utilisons aujourd'hui. Mais avant que le graphène puisse se généraliser à l'échelle industrielle et être utilisé dans l'électronique, nous rencontrons dans la vie quotidienne trois problèmes principaux qui doivent être résolus.
Premièrement, le prix est trop élevé. Une production plus importante et plus rapide est nécessaire pour faire baisser le prix. Mais avec cela, vous êtes confronté au deuxième problème : lorsque vous augmentez la vitesse et que vous ne pouvez pas en même temps contrôler la qualité, le risque d'erreur augmente aussi considérablement. Lors d'un transfert à grande vitesse, tout doit être réglé avec précision. Ce qui nous amène au troisième problème : comment savoir ce qui est précis ?
Cela nécessite des mesures. Et de préférence des mesures pendant le processus de transfert réel. L'équipe de la DTU est convaincue que le meilleur pari sur cette méthode est le contrôle de la qualité à l'aide du rayonnement térahertz.
Peter Bøggild souligne que ces trois problèmes n'ont pas été résolus uniquement par la nouvelle méthode :
"Nous avons franchi une étape très importante. Nous avons transformé une machine à stratifier en un système de transfert dit "roll-2-roll". Il soulève délicatement la couche de graphène du rouleau de cuivre sur lequel la couche de graphène est cultivée et la déplace sur une feuille de plastique sans qu'elle se casse, se froisse ou se salisse. Lorsque nous combinons ce système avec le système térahertz, nous pouvons immédiatement voir si le processus s'est bien déroulé. C'est-à-dire si nous avons du graphène intact avec une faible résistance électrique", explique Peter Bøggild.
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