Ein Weihnachtsbaum mit einer Dicke von einem Atom wurde an der DTU hergestellt. Er zeigt, wie Terahertz-Messungen genutzt werden können, um die Qualität von Graphen sicherzustellen.
Der Weihnachtsbaum auf den Bildern ist 14 Zentimeter lang. Da er aus Graphen hergestellt ist, besteht er aus Kohlenstoffatomen in nur einer Schicht und ist nur ein Drittel eines Nanometers dick. Er wird aus einer 10 Meter langen Graphenrolle ausgeschnitten, mit einer umgebauten Laminiermaschine in einem Stück übertragen und dann mit Terahertz-Strahlung abgetastet.
Das Experiment zeigt, dass bei der Herstellung von Graphen eine kontinuierliche Qualitätskontrolle möglich ist. Es wird erwartet, dass Graphen in Zukunft eine wichtige Rolle in der Hochgeschwindigkeitselektronik, z. B. bei medizinischen Instrumenten und Sensoren, spielen wird.
Graphen ist ein sogenanntes zweidimensionales Material, d. h. es besteht aus Atomen in einer zusammenhängenden Schicht, die nur ein Atom dünn ist. Es ist robuster, steifer und leitet Strom und Wärme besser als jedes andere uns bekannte Material. Daher ist Graphen ein offensichtlicher Kandidat für elektronische Schaltkreise, die weniger Platz benötigen, weniger wiegen, biegsam und effizienter sind als die uns heute bekannte Elektronik.
"Selbst wenn man mit einem Bleistift einen Weihnachtsbaum zeichnen und ihn vom Papier abheben könnte - was wir im übertragenen Sinne getan haben - wäre er viel dicker als ein Atom. Ein Bakterium ist z. B. 3000 Mal dicker als die von uns verwendete Graphenschicht. Deshalb wage ich es, dies als den dünnsten Weihnachtsbaum der Welt zu bezeichnen. Und obwohl der Ausgangspunkt Kohlenstoff ist, genau wie das Graphit in einem Bleistift, ist Graphen gleichzeitig sogar leitfähiger als Kupfer. Die "Zeichnung" wird in einer perfekten Schicht in einem Stück hergestellt", sagt Professor Peter Bøggild, der das Team hinter dem Weihnachtsbaumexperiment leitete.
"Aber hinter dem Weihnachtsscherz verbirgt sich ein wichtiger Durchbruch. Zum ersten Mal ist es uns gelungen, eine Inline-Qualitätskontrolle der Graphenschicht durchzuführen, während wir sie übertragen haben. Dies ist der Schlüssel zur Erzielung stabiler, reproduzierbarer und nutzbarer Materialeigenschaften, was die Voraussetzung für die Verwendung von Graphen z. B. in elektronischen Schaltkreisen ist."
30.000-mal dünner als Küchenfolie Wie die Forscher in diesem Fall getan haben, kann das Graphen auf Kupferfolie "gezüchtet" werden. Das Graphen wird auf einer Rolle Kupferfolie bei etwa 1000° C abgeschieden. Dieses Verfahren ist bekannt und funktioniert gut. Doch wenn die ultradünne Graphenfolie von der Kupferwalze zum Einsatzort transportiert wird, kann viel schief gehen. Da Graphen 30.000 Mal dünner ist als eine Küchenfolie, ist dies ein anspruchsvoller Prozess. Der Forscher Abhay Shivayogimath hat mehrere neue Erfindungen für das Übertragungsverfahren der DTU entwickelt, die eine stabile Übertragung der Graphenschichten von der Kupferwalze gewährleisten.
Außerdem gab es bisher keine Technologie, mit der die elektrische Qualität von Graphen während des Transfers kontrolliert werden konnte. In diesem Jahr haben Peter Bøggild und sein Kollege Professor Peter Uhd Jepsen von DTU Fotonik, einer der weltweit führenden Terahertz-Forscher, einen Weg gefunden, dies zu tun.
Die farbigen Bilder sind Messungen der Absorption von Terahertz-Strahlung durch die Graphenschicht. Die Absorption steht in direktem Zusammenhang mit der elektrischen Leitfähigkeit: Je besser das leitfähige Graphen, desto besser absorbiert es.
Terahertz-Strahlen sind hochfrequente Radiowellen, die zwischen Infrarotstrahlung und Mikrowellen liegen. Wie Röntgenstrahlen können sie zum Scannen menschlicher Körper verwendet werden, wie wir es von der Flughafensicherheit kennen. Terahertz-Strahlen können auch Bilder vom elektrischen Widerstand der Graphenschicht machen. Wenn man den Terahertz-Scanner an die Maschine anschließt, die den Graphenfilm überträgt, kann man die elektrischen Eigenschaften des Films während des Übertragungsvorgangs abbilden.
Offizieller internationaler Messstandard
Angenommen, die Einführung von Graphen und anderen 2D-Materialien soll beschleunigt werden. In diesem Fall ist eine kontinuierliche Qualitätssicherung eine Voraussetzung, sagt Peter Bøggild. Qualitätskontrolle geht vor Vertrauen, sagt er. Die Technologie kann garantieren, dass Graphen-basierte Technologien gleichmäßiger und vorhersehbarer mit weniger Fehlern hergestellt werden. In diesem Jahr wurde die Methode der DTU-Forscher als erster offizieller internationaler Messstandard für Graphen anerkannt. Ihre Methode wurde Anfang des Jahres in dem Artikel Terahertz Imaging of Graphene paves the way to industrialization beschrieben.
Das Potenzial ist hervorragend. Graphen und andere zweidimensionale Materialien können z. B. die Herstellung von Hochgeschwindigkeitselektronik ermöglichen, die blitzschnelle Berechnungen mit weitaus geringerem Stromverbrauch als die heute verwendeten Technologien durchführt. Doch bevor sich Graphen in industriellem Maßstab durchsetzen und in der Elektronik eingesetzt werden kann, stoßen wir im Alltag auf drei Hauptprobleme, die gelöst werden müssen.
Erstens: Der Preis ist zu hoch. Es muss mehr und schneller produziert werden, um den Preis zu senken. Aber damit steht man vor dem zweiten Problem: Wenn man die Geschwindigkeit erhöht und nicht gleichzeitig die Qualität kontrollieren kann, steigt auch das Fehlerrisiko dramatisch. Bei der Hochgeschwindigkeitsübertragung muss alles genau eingestellt sein. Das bringt uns zum dritten Problem: Woher weiß man, was genau ist?
Das erfordert Messungen. Und zwar vorzugsweise Messungen während des eigentlichen Übertragungsvorgangs. Das DTU-Team ist überzeugt, dass die Qualitätskontrolle mit Terahertz-Strahlung die beste Methode dafür ist.
Peter Bøggild betont, dass diese drei Probleme mit der neuen Methode allein nicht gelöst sind:
"Wir haben einen sehr wichtigen Schritt getan. Wir haben eine Laminiermaschine zu einem so genannten Rolle-2-Rolle-Transfersystem umgebaut. Es hebt die Graphenschicht sanft von der Kupferrolle ab, auf der die Graphenschicht gewachsen ist, und bringt sie auf eine Kunststofffolie, ohne dass sie bricht, faltig wird oder verschmutzt. Wenn wir dies mit dem Terahertz-System kombinieren, können wir sofort sehen, ob der Prozess gut verlaufen ist. Das heißt, ob wir ungebrochenes Graphen mit geringem elektrischen Widerstand haben", sagt Peter Bøggild.
Weitere Informationen finden Sie unter:
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]