Uma árvore de Natal com a espessura de um átomo foi feita na DTU. Ele mostra como as medições de terahertz podem ser usadas para garantir a qualidade do grafeno.
A árvore de Natal nas fotos acima tem 14 centímetros de comprimento. Por ser feito de grafeno, ele consiste em átomos de carbono em apenas uma camada e tem apenas um terço de um nanômetro de espessura. Ele é cortado de um rolo de grafeno de 10 metros de comprimento, transferido em uma peça usando uma máquina de laminação reconstruída e depois digitalizado com radiação terahertz.

O experimento mostra que o controle de qualidade contínuo pode ser feito durante a produção de grafeno, que deverá desempenhar um papel significativo na futura eletrônica de alta velocidade, ou seja, instrumentos e sensores médicos.

O grafeno é um material chamado bidimensional, ou seja, consiste em átomos em uma camada coesa com apenas um átomo de espessura. É mais robusto, mais rígido e melhor na condução de eletricidade e calor do que qualquer outro material que conhecemos. Portanto, o grafeno é um candidato óbvio para circuitos eletrônicos que ocupam menos espaço, pesam menos, são dobráveis ​​e são mais eficientes do que os eletrônicos que conhecemos hoje.

"Mesmo se você pudesse fazer um desenho a lápis de uma árvore de Natal e tirá-lo do papel - o que, figurativamente, é o que fizemos - seria muito mais espesso que um átomo. Uma bactéria é, por exemplo, 3.000 vezes mais espessa que o grafeno que usamos. É por isso que me atrevo a chamar esta árvore de Natal mais fina do mundo. E embora o ponto de partida seja o carbono, assim como o grafite em um lápis, o grafeno é ao mesmo tempo ainda mais condutor que o cobre. O "desenho" é feito em uma camada perfeita em uma só peça ", diz o professor Peter Bøggild, que liderou a equipe por trás do experimento da árvore de Natal.

"Mas por trás da piada de Natal esconde-se um avanço importante. Pela primeira vez, conseguimos fazer um controle de qualidade em linha da camada de grafeno enquanto a transferíamos. Fazer isso é a chave para obter propriedades de material estáveis, reprodutíveis e utilizáveis, que é o pré-requisito para a utilização de grafeno em, por exemplo, circuitos eletrônicos."

30.000 vezes mais fino que o filme de cozinha

Como os pesquisadores fizeram neste caso, o grafeno pode ser “cultivado” em filme de cobre. O grafeno é depositado em um rolo de folha de cobre em torno de 1000°C. Esse processo é bem conhecido e funciona bem. Mas muita coisa pode dar errado quando o filme ultrafino de grafeno é movido do rolo de cobre para onde é usado. Como o grafeno é 30.000 vezes mais fino que o filme de cozinha, é um processo exigente. O pesquisador Abhay Shivayogimath está por trás de várias novas invenções no processo de transferência da DTU, garantindo uma transferência estável das camadas de grafeno do rolo de cobre.

Além disso, não havia tecnologia que pudesse controlar a qualidade elétrica do grafeno em movimento – enquanto o transferia. Este ano, Peter Bøggild e seu colega Professor Peter Uhd Jepsen da DTU Fotonik, um dos principais pesquisadores de terahertz do mundo, estabeleceram uma maneira de fazer isso.

As imagens coloridas são medidas de como a camada de grafeno absorve a radiação terahertz. A absorção está diretamente relacionada à condutividade elétrica:quanto melhor o grafeno condutor, melhor ele absorve.

Os raios terahertz são ondas de rádio de alta frequência que ficam entre a radiação infravermelha e as micro-ondas. Assim como os raios X, eles podem ser usados ​​para escanear corpos humanos, como conhecemos na segurança do aeroporto. Os raios terahertz também podem tirar fotos da resistência elétrica da camada de grafeno. Ao conectar o scanner terahertz à máquina que transfere o filme de grafeno, é possível visualizar as propriedades elétricas do filme durante o processo de transferência.

Padrão oficial de medição internacional

Suponha que a implementação de grafeno e outros materiais 2D seja acelerada. Nesse caso, a garantia de qualidade contínua é um pré-requisito, diz Peter Bøggild. O controle de qualidade precede a confiança, diz ele. A tecnologia pode garantir que as tecnologias baseadas em grafeno sejam fabricadas de forma mais uniforme e previsível com menos erros. Este ano, o método dos pesquisadores da DTU foi aprovado como o primeiro padrão internacional oficial de medição para o grafeno. Seu método foi descrito no início deste ano no artigo 'A imagem Terahertz do grafeno abre o caminho para a industrialização'.

O potencial é excelente. O grafeno e outros materiais bidimensionais podem, e. permitem a fabricação de eletrônicos de alta velocidade realizando cálculos extremamente rápidos com muito menos consumo de energia do que as tecnologias que usamos hoje. Mas antes que o grafeno possa se tornar mais difundido em escala industrial e ser usado na eletrônica, encontramos na vida cotidiana três problemas principais que devem ser resolvidos.

Primeiro, o preço é muito alto. É necessária uma produção mais e mais rápida para reduzir o preço. Mas com isso, você enfrenta o segundo problema:quando você aumenta a velocidade e não consegue ao mesmo tempo verificar a qualidade, o risco de erro também aumenta drasticamente. Na transferência de alta velocidade, tudo deve ser definido com precisão. Isso nos leva ao terceiro problema:como você sabe o que é preciso?

Requer medições. E de preferência medições durante o processo de transferência real. A equipe da DTU está convencida de que a melhor aposta nesse método é o controle de qualidade com radiação terahertz.

Peter Bøggild enfatiza que esses três problemas não foram resolvidos apenas com o novo método:"Demos um passo muito significativo. Convertemos uma máquina de laminação no chamado sistema de transferência rolo-2 rolos. Ele levanta suavemente o grafeno camada do rolo de cobre em que a camada de grafeno é crescida e a move para a folha de plástico sem que ela se quebre, fique enrugada ou suja. Quando combinamos isso com o sistema terahertz, podemos ver imediatamente se o processo correu bem. Ou seja, se temos grafeno ininterrupto com baixa resistência elétrica", diz Peter Bøggild. + Explorar mais

Pesquisadores se aproximam do controle do grafeno bidimensional