Un sapin de Noël d'une épaisseur d'un atome a été réalisé chez DTU. Il montre comment les mesures térahertz peuvent être utilisées pour garantir la qualité du graphène.

Le sapin de Noël sur les photos ci-dessus mesure 14 centimètres de long. Comme il est composé de graphène, il est constitué d'atomes de carbone en une seule couche et n'a 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 plastifier reconstruite, puis scanné avec un rayonnement térahertz.

L'expérience montre qu'un contrôle qualité continu peut être effectué lors de la production de graphène, qui devrait jouer un rôle important dans l'électronique à grande vitesse future, c'est-à-dire les instruments et capteurs médicaux.

Le graphène est un matériau dit bidimensionnel, c'est-à-dire qu'il est constitué d'atomes dans une couche cohésive qui n'a qu'un atome d'épaisseur. Il est plus robuste, plus rigide et meilleur conducteur d'électricité et de chaleur que tout autre matériau que nous connaissons. 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 faire un dessin au crayon d'un sapin de Noël et le décoller du papier - ce qui, au sens figuré, est ce que nous avons fait - il serait beaucoup plus épais qu'un atome. Une bactérie est, par exemple, 3000 fois plus épaisse que le graphène couche 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 dans un crayon, le graphène est en même temps encore plus conducteur que le cuivre. Le "dessin" est fait en une seule couche parfaite en un seul morceau ", déclare le professeur Peter Bøggild qui a dirigé l'équipe derrière l'expérience de l'arbre de Noël.

"Mais derrière la blague de Noël se cache une percée importante. Pour la première fois, nous avons réussi à effectuer un contrôle qualité en ligne de la couche de graphène pendant que nous la transférions. Faire cela est la clé pour obtenir des propriétés matérielles stables, reproductibles et utilisables, qui est la condition préalable à l'utilisation du graphène dans, par exemple, les circuits électroniques."

30 000 fois plus fin qu'un film de cuisine

Comme les chercheurs l'ont fait 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 se passer lorsque le film de graphène ultra-fin est déplacé du rouleau de cuivre à l'endroit où il est utilisé. Étant donné que le graphène est 30 000 fois plus fin que le film de cuisine, il s'agit d'un processus exigeant. Le chercheur Abhay Shivayogimath a été à l'origine de plusieurs nouvelles inventions dans le processus de transfert de DTU, assurant un transfert stable des couches de graphène du rouleau de cuivre.

De plus, aucune technologie ne pouvait contrôler la qualité électrique du graphène en déplacement, tout en le transférant. Cette année, Peter Bøggild et son collègue, le professeur Peter Uhd Jepsen de DTU Fotonik, l'un des plus grands chercheurs mondiaux dans le domaine du térahertz, ont mis au point 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 le corps humain, comme nous le savons de 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, une assurance qualité continue est une condition préalable, explique 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 du DTU a été approuvée comme première norme de mesure internationale officielle pour le graphène. Leur méthode a été décrite plus tôt cette année dans l'article "L'imagerie térahertz du graphène ouvre la voie à l'industrialisation".

Le potentiel est excellent. Le graphène et d'autres matériaux bidimensionnels peuvent par ex. permettent la fabrication d'électronique à grande vitesse effectuant des calculs ultra-rapides avec une consommation d'énergie bien inférieure à celle des 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 au quotidien trois problèmes principaux qui doivent être résolus.

Tout d'abord, le prix est trop élevé. Une production plus importante et plus rapide est nécessaire pour faire baisser les prix. Mais avec cela, vous faites face au deuxième problème :lorsque vous augmentez la vitesse et que vous ne pouvez pas en même temps vérifier la qualité, le risque d'erreur augmente également considérablement. Lors d'un transfert à grande vitesse, tout doit être réglé avec précision. Cela nous amène au troisième problème :comment savez-vous ce qui est précis ?

Cela nécessite des mesures. Et de préférence des mesures pendant le processus de transfert proprement dit. L'équipe DTU est convaincue que le meilleur pari sur cette méthode est le contrôle de la qualité à l'aide de rayonnement térahertz.

Peter Bøggild souligne que ces trois problèmes n'ont pas été résolus avec la seule nouvelle méthode :« Nous avons franchi une étape très importante. Nous avons converti une machine à plastifier en un système de transfert dit rouleau-2-rouleau. Il soulève doucement le graphène couche du rouleau de cuivre sur lequel la couche de graphène est développée et la déplace sur une feuille de plastique sans qu'elle ne se brise, ne se froisse ou ne se salisse. Lorsque nous combinons cela avec le système térahertz, nous pouvons immédiatement voir si le processus s'est bien déroulé. si nous avons du graphène ininterrompu avec une faible résistance électrique », explique Peter Bøggild. + Explorer plus loin

Les chercheurs se rapprochent du contrôle du graphène bidimensionnel