Les scanners aux rayons X ont révolutionné les traitements médicaux en nous permettant de voir à l'intérieur des humains sans chirurgie. De la même manière, la spectroscopie térahertz pénètre les films de graphène permettant aux scientifiques de dresser des cartes détaillées de leur qualité électrique, sans endommager ou contaminer le matériel. Le Graphene Flagship a réuni des chercheurs du monde universitaire et de l'industrie pour développer et faire mûrir cette technique analytique, et maintenant, un nouvel outil de mesure pour la caractérisation du graphène est prêt.

L'effort a été possible grâce à l'environnement collaboratif permis par le consortium européen Graphene Flagship, avec la participation de scientifiques de Graphene Flagship partners DTU, Danemark, ITI, Italie, Université Aalto, Finlande, AIXTRON, ROYAUME-UNI, imec, La Belgique, Graphenea, Espagne, Université de Varsovie, Pologne, et Thales R&T, La France, ainsi que des collaborateurs en Chine, la Corée et les États-Unis.

Le graphène est souvent « pris en sandwich » entre de nombreuses couches et matériaux différents à utiliser dans les appareils électroniques et photoniques. Cela complique le processus d'évaluation de la qualité. La spectroscopie térahertz facilite les choses. Il image les matériaux encapsulés et révèle la qualité du graphène en dessous, exposer les imperfections aux points critiques du processus de fabrication. C'est un rapide, une technologie non destructive qui sonde les propriétés électriques du graphène et des matériaux stratifiés, sans besoin de contact direct.

Le développement de techniques de caractérisation comme la spectroscopie térahertz est fondamental pour accélérer la production à grande échelle, car ils garantissent que les appareils compatibles avec le graphène sont fabriqués de manière cohérente et prévisible, sans défauts. Le contrôle de la qualité précède la confiance. Grâce à d'autres développements lancés par le Graphene Flagship, telles que la production roll-to-roll de graphène et de matériaux stratifiés, la technologie de fabrication est prête à passer à l'étape suivante. La spectroscopie térahertz nous permet d'accélérer la production de graphène sans perdre de vue la qualité.

« C'est la technique dont nous avions besoin pour égaler les niveaux de production à haut débit permis par le Graphene Flagship, " explique Peter Bøggild de Graphene Flagship partner DTU. " Nous sommes convaincus que la spectroscopie térahertz dans la fabrication de graphène deviendra aussi courante que les scans aux rayons X dans les hôpitaux, " ajoute-t-il. " En fait, grâce à la spectroscopie térahertz, vous pouvez facilement cartographier des échantillons de graphène à l'échelle métrique sans les toucher, ce qui n'est pas possible avec d'autres techniques de pointe. le Graphene Flagship étudie actuellement comment appliquer la spectroscopie térahertz directement dans les lignes de production de graphène roll-to-roll, et accélérer l'imagerie.

La collaboration a été la clé de cette réussite. Les chercheurs de Graphene Flagship dans des institutions universitaires ont travaillé en étroite collaboration avec les principaux fabricants de graphène tels que les partenaires de Graphene Flagship AIXTRON, Graphenea et IMEC. "C'est le meilleur moyen de s'assurer que notre solution est pertinente pour nos utilisateurs finaux, des entreprises qui fabriquent du graphène et des matériaux stratifiés à l'échelle industrielle, " dit Bøggild. " Notre publication est une étude de cas complète qui met en évidence la polyvalence et la fiabilité de la spectroscopie térahertz pour le contrôle qualité et devrait guider nos collègues dans l'application de la technique à de nombreux substrats industriellement pertinents tels que le silicium, saphir, carbure de silicium et polymères. » ajoute-t-il.

L'établissement de normes est une étape importante pour le développement de tout nouveau matériau, pour s'assurer qu'il est sûr, authentique et offrira une performance à la fois fiable et cohérente. C'est pourquoi le Graphene Flagship dispose d'un groupe de travail dédié à la standardisation du graphène, techniques de mesure et d'analyse et procédés de fabrication. La nouvelle méthode de spectroscopie térahertz est en passe de devenir une spécification technique standard, grâce au travail du Graphene Flagship Standardization Committee. « Cela accélérera sans aucun doute l'adoption de cette nouvelle technologie, car il décrira comment l'analyse et la comparaison d'échantillons de graphène peuvent être effectuées de manière reproductible, " explique Peter Jepsen de Graphene Flagship Partner DTU, qui co-auteur de l'étude. « La spectroscopie térahertz est une autre étape pour accroître la confiance dans les produits à base de graphène, " conclut-il.

Amaïa Zurutuza, co-auteur de l'article et directeur scientifique chez Graphene Flagship partner Graphenea, dit :« A Graphenea, nous sommes convaincus que l'imagerie térahertz peut permettre le développement de techniques de contrôle qualité capables de répondre aux exigences de cadence de fabrication et de fournir des informations pertinentes sur la qualité du graphène, ce qui est essentiel dans notre cheminement vers l'industrialisation réussie du graphène."

Thurid Gspann, le président du comité de normalisation phare du graphène, dit, "Cette technique térahertz [spectroscopie] devrait être largement adoptée par l'industrie. Elle ne nécessite aucune préparation d'échantillon particulière et est une technique de cartographie qui permet d'analyser de vastes zones de manière efficace en termes de temps."

Marco Romagnoli, Chef de division phare du graphène pour l'intégration de l'électronique et de la photonique, ajoute, « L'outil de spectroscopie térahertz pour une application à l'échelle des tranches est un état de l'art, système TRL élevé pour caractériser des empilements multicouches sur des plaquettes contenant du graphène CVD. Il fonctionne en peu de temps et avec une bonne précision, et fournit les principaux paramètres d'intérêt, comme la mobilité des transporteurs, conductivité, temps de diffusion et densité de porteurs. Cette réalisation technique à forte valeur ajoutée est également un exemple de l'avantage de faire partie d'un grand projet collaboratif comme le Graphene Flagship. »

Andrea C. Ferrari, Responsable scientifique et technologique du Graphene Flagship et président de son comité de direction, ajoute, "Encore, Les chercheurs de Graphene Flagship sont les pionniers d'une nouvelle technique de caractérisation pour faciliter le développement de la technologie du graphène. Cela nous aide à progresser régulièrement sur notre feuille de route en matière d'innovation et de technologie et profitera à l'adoption industrielle du graphène dans un large éventail d'applications. »