DTUで原子1個分の厚さのクリスマスツリーが作られた。テラヘルツ測定がグラフェンの品質を保証するためにどのように利用されるかを示している。
写真のクリスマスツリーは、長さ14センチメートル。グラフェンでできているので、炭素原子が1層だけで構成されており、厚さはわずか1/3ナノメートルです。長さ10メートルのグラフェンロールから切り出し、改造したラミネート機で一体に転写し、テラヘルツ波でスキャンしたものです。
この実験は、将来の高速エレクトロニクス、すなわち医療機器やセンサーで重要な役割を果たすと期待されるグラフェンの製造時に、連続的な品質管理が可能であることを示している。
グラフェンは、いわゆる2次元材料であり、原子が1つの凝集層で構成され、その薄さは原子1個分である。グラフェンは、私たちが知っているどの材料よりも頑丈で、硬く、電気や熱の伝導に優れている。したがって、グラフェンは、現在知られている電子機器よりも省スペースで軽量、かつ曲げやすく、効率のよい電子回路の候補となることは明らかである。
「鉛筆でクリスマスツリーの絵を描いて、それを紙から浮かせることができたとしても（比喩的に言えば、われわれはそれを実現した）、それは1原子よりはるかに厚いだろう。バクテリアは、例えば私たちが使ったグラフェン層の3000倍の厚さがあります。ですから、私はこれをあえて「世界一薄いクリスマスツリー」と呼んでいるのです。また、出発点は鉛筆の黒鉛のような炭素ですが、グラフェンは同時に銅よりもさらに高い導電性を持っています。クリスマスツリーの実験チームを率いるピーター・ボギルド教授は、「この "絵 "は、1枚の完璧な層で作られています」と言う。
「しかし、このクリスマス・ジョークの裏側には、重要なブレークスルーが隠されているのです。 私たちは初めて、グラフェン層を転写する際に、インラインで品質管理を行うことに成功しました。これは、グラフェンを電子回路などに利用するための前提条件となる、安定した、再現性のある、使用可能な材料特性を得るための鍵です。"
キッチンフィルムの3万分の1の薄さ 今回、研究者たちが行ったように、グラフェンは銅薄膜上に「成長」させることができる。グラフェンは、約1000℃の銅箔ロールに蒸着される。このプロセスはよく知られており、十分に機能する。しかし、極薄のグラフェンフィルムを銅のロールから使用する場所に移動させるときに、多くの問題が発生することがある。グラフェンは台所用フィルムの3万分の1の薄さなので、要求の厳しいプロセスなのです」。 DTUの搬送プロセスでは、研究員のアバイ・シバヨギマスがいくつかの新しい発明を行い、銅ロールからグラフェン層を安定的に搬送できるようにしている。
さらに、グラフェンを転写する際に、グラフェンの電気的な品質をその場で制御できる技術はこれまでなかった。今年、ピーター・ボギルドは、同僚のピーター・ウード・イェプセン教授（DTU Fotonik、世界有数のテラヘルツ研究者）と共に、その方法を確立したのである。
色のついた画像は、グラフェン層がテラヘルツ波をどのように吸収しているかを測定したものです。吸収率は電気伝導度に直接関係しており、導電性の高いグラフェンほどよく吸収する。
テラヘルツ波は、赤外線とマイクロ波の中間に位置する高周波の電波です。X線と同様に、空港のセキュリティでおなじみの人体スキャンに利用することができる。また、テラヘルツ波は、グラフェン層の電気抵抗を撮影することもできる。 グラフェン膜を転写する機械にテラヘルツスキャナーを接続することで、転写中の膜の電気的特性を画像化することができるのです。
公式の国際測定基準
グラフェンをはじめとする2次元材料の実用化を加速させるとする。その場合、継続的な品質保証が必須条件であるとPeter Bøggildは言う。品質管理は信頼に先立つものだという。この技術は、グラフェンベースの技術が、より均一で、より少ないエラーで予測可能に製造されることを保証することができます。今年、DTUの研究者たちの手法は、グラフェンに関する初の公式国際測定基準として承認された。彼らの方法は、今年初め、記事「Terahertz imaging of graphene paves the way to industrialization」で紹介された。
そのポテンシャルは素晴らしい。グラフェンやその他の2次元材料は、例えば、現在使われている技術よりもはるかに少ない消費電力で、電光石火の計算を行う高速エレクトロニクスの製造を可能にすることができる。しかし、グラフェンが工業規模で普及し、エレクトロニクスに利用されるようになるには、日常生活の中で、解決しなければならない3つの主要な問題に遭遇することになる。
まず、価格が高すぎること。価格を下げるためには、より多くの、より迅速な生産が必要です。しかし、速度を上げると同時に品質チェックができなくなり、ミスのリスクも飛躍的に高まるという2つ目の問題に直面する。高速転送では、すべてを精密に設定しなければなりません。そこで、3つ目の問題として、「精度をどうやって知るか」ということがあります。
それには測定が必要です。そして、できれば実際の転写工程での測定が必要です。DTUのチームは、その方法として、テラヘルツ波を用いた品質管理が最善の策であると確信しています。
Peter Bøggildは、これら3つの問題は、新しい方法だけで解決されたわけではないと強調する。
「私たちは、非常に大きな一歩を踏み出しました。ラミネート機を、いわゆるロール2ロール式搬送装置に改造したのです。グラフェン層を成長させた銅ロールからグラフェン層を優しく持ち上げ、折れたりシワになったり汚れたりすることなく、プラスチック箔の上に移動させることができるのです。これにテラヘルツの装置を組み合わせると、プロセスがうまくいっているかどうかがすぐにわかります。 つまり、電気抵抗が低く、壊れていないグラフェンができているかどうかです」とPeter Bøggildは言う。
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