Co roku w czasie okołoświątecznym toczy się bitwa o miano największej bądź najmniejszej choinki bożonarodzeniowej. Również skala nano ma swoje zawody – w ubiegłym roku studentka fizyki stosowanej na Politechnice w Delft (TU Delft) stworzyła „drzewko” o wysokości 4 nanometrów, usuwając 51 atomów z idealnej sieci krystalicznej za pomocą skaningowej mikroskopii tunelowej (grafika obok).

Z kolei w tym roku naukowcom z Duńskiego Uniwersytetu Technicznego (DTU) udało się otrzymać najprawdopodobniej najcieńszą – grafenową – choinkę na świecie.

Źródło: tudelft.nl

Grafen, opisywany jako materiał dwuwymiarowy (2D), to pojedyncza warstwa atomów węgla połączona w sześciokąty. Został on zsyntezowany po raz pierwszy w 2004 roku, a za jego odkrycie Andre Geim oraz Konstantin Novoselov otrzymali w 2010 roku nagrodę Nobla.
Grafen wydaje się być potencjalnym następcą krzemu w aplikacjach elektronicznych, jednak produkcja materiałów dwuwymiarowych na skalę masową wymaga dużych nakładów finansowych. Przyspieszenie tego procesu obniżyłoby jego koszty, ale pogorszyłoby również jakość warstw, dlatego ważna jest odpowiednia kontrola wytwarzania.

Nawet jeśli można byłoby „zdjąć” z papieru narysowaną ołówkiem choinkę, to nadal będzie ona grubsza niż jeden atom – tłumaczy profesor Peter Bøggild, kierujący zespołem odpowiedzialnym za eksperyment, w którym zastosowana została podobna technika. Metoda ta polega na przeniesieniu wyhodowanej warstwy grafenu – „rysunku” – z miedzi na plastikową folię, gdzie za pomocą promieniowania terahercowego można określić jakość przeprowadzonego procesu. Szczegółowa procedura przedstawiona jest na krótkim filmie.

Schemat układu, który zapewnia ciągłą kontrolę jakości otrzymywanego grafenu.
Źródło: youtube.com/watch?v=C6tBB7zAD_k

Za wytworzeniem najcieńszej choinki stoi więc pionierska technologia, która umożliwia stałą kontrolę jakości warstwy grafenowej. Stanowi to klucz do uzyskiwania stabilnych i powtarzalnych materiałów, wykorzystywanych w obwodach elektrycznych. Grafen bardzo dobrze przewodzi ciepło oraz elektryczność, zazwyczaj przekładany między różnymi innymi warstwami, może być stosowany w urządzeniach elektronicznych i fotonicznych. Kontrolowanie jakości takich “kanapek” staje się jednak bardziej skomplikowane. Z pomocą przychodzi właśnie spektroskopia terahercowa.

Tak jak promieniowanie rentgenowskie pozwala zajrzeć w głąb ludzkiego ciała bez potrzeby wykonywania operacji, tak promieniowanie terahercowe nieinwazyjnie penetruje warstwy, w celu dostarczenia informacji o ich jakości elektrycznej. Nowo opracowana metoda spektroskopii terahercowej może stać się podstawowym badaniem standaryzującym grafen i zwiększyć zaufanie do urządzeń wytarzanych na jego bazie.

 

Więcej informacji:
strona DTU, Graphene Flagship oraz
“Case studies of electrical characterisation of graphene by terahertz time-domain spectroscopy.” P.R. Whelan, B. Zhou, O. Bezencenet, A. Shivayogimath, N. Mishra, Q. Shen, B.S. Jessen, I. Pasternak. D.M.A. Mackenzie, J. Ji, C. Sun, P. Seneor, B. Dlubak, B. Luo, F.W. Østerberg, D. Huang, H. Shi, D. Luo, M. Wang, R.S. Ruoff, B.R.Conran, C. McAleese, C. Huyghebaert, S. Brems, T.J. Booth, I. Napal, W. Strupinski, D.H. Petersen, S. Forti, C. Coletti, A. Jouvray, K.B.K. Teo, A. Centeno, A. Zurutuza, P. Legagneux, P.U. Jepsen, P. Bøggild. 2D Materials (2021), DOI: 10.1088/2053-1583/abdbcb.