Verdens tyndeste juletræ er lavet på DTU

Juletræet på billederne ovenfor er 14 centimeter langt, og fordi det er fremstillet af  grafen, et materiale, som består af kulstofatomer i kun ét lag, er det blot en tredjedel nanometer tykt. Det er klippet ud af en 10 meter lang rulle grafen og overført i et stykke ved hjælp af en ombygget lamineringsmaskine og derefter scannet med terahertz-stråling.

Eksperimentet viser, at man under fremstillingen kan foretage løbende kvalitetssikring af den grafen, som forventes at komme til at spille en stor rolle inden for fremtidens højhastighedselektronik, blandt andet medicinske instrumenter og sensorer.

Grafen er et såkaldt todimensionelt materiale. Dvs. det består af atomer i ét sammenhængende lag, der kun er ét atom tyndt. Det er stærkere, stivere og bedre til at lede strøm og varme end alle andre materialer, vi kender til. Derfor er grafen en oplagt kandidat til at lave elektroniske kredsløb, som fylder mindre, vejer mindre, kan bøjes og er mere effektive, end den elektronik vi kender i dag.

”Selv hvis du kunne lave en blyantstegning af et juletræ og løfte den af papiret, som billedligt talt er det vi har gjort, ville den være langt tykkere end ét atom. En bakterie er f.eks. 3000 gange tykkere end grafenlaget, vi har brugt. Derfor tør jeg godt kalde dette for verdens tyndeste juletræ. Og selvom vores udgangspunkt er kulstof, ligesom grafitten i blyanten, er grafen faktisk bedre end selv kobber til at lede strøm. ”Tegningen” er lavet i ét perfekt lag i et stykke,” siger professor Peter Bøggild, som leder teamet der har udført juletræseksperimentet.

”Men bag julespøgen gemmer sig et vigtigt gennembrud. Og det er, at vi er for første gang er lykkedes med at lave en ”in-line” kvalitetskontrol af grafenlaget, det vil sige mens vi overfører det. At kunne det er nøglen til at få stabile, reproducerbare og brugbare materialeegenskaber, som er forudsætningen for at kunne udnytte grafen til f.eks. elektroniske kredsløb.”

30.000 gange tyndere end køkkenfilm

Grafen kan, som forskerne har gjort i dette tilfælde, ”dyrkes” på kobber film, hvor man deponerer grafen på en rulle kobberfolie ved en temperatur på omkring 1000 °C. Den proces er velkendt og velfungerende. Men meget kan gå galt, når den ultratynde grafen-film skal flyttes fra kobberrullen, til der hvor den skal bruges. Da grafen er 30.000 gange tyndere end køkkenfilm, er det en krævende proces.  Postdoc Abhay Shivayogimath har i den forbindelse stået bag flere afgørende opfindelser bag DTU’s overførselsproces, som sikrer en stabil overførsel af grafenlagene fra kobberrullen.

Hidtil har der derudover ikke været en teknologi, som kunne kontrollere kvaliteten af grafenen, mens man overfører den. Men i år er en sådan blevet færdigudviklet i tæt samarbejde mellem Peter Bøggild og hans kollega professor Peter Uhd Jepsen fra DTU Fotonik, der er en af verdens ledende terahertzforskere.

De farvede billeder er målinger af, hvordan grafenlaget absorberer terahertz-stråling. Absorptionen er direkte relateret til den elektriske ledningsevne: jo bedre ledende grafen, jo bedre absorberer den.

Her ses grafenlaget efter overførsel fra kobberrullen og mens det undersøges vha. terahertz-stråling. Illustration: Abhay Shivayogimath og Jie Ji.

Terahertz-stråler er højfrekvente radiobølger, som ligger mellem infrarød stråling og mikrobølger. Ligesom røntgenstråler kan de bruges til at gennemlyse menneskekroppe, som vi kender det fra sikkerhedskontrollen i lufthavnen. Terahertz-stråler kan også tage billeder af grafen-lagets elektriske modstand. Ved at koble terahertz-scanneren sammen med maskinen, der overfører grafen-filmen, er det muligt at fotografere filmens elektriske egenskaber samtidig med overførselsprocessen.

Officiel international målestandard

Hvis implementeringen af grafen og andre 2D-materialer skal fremskyndes, er den løbende kvalitetssikring en forudsætning, mener Peter Bøggild. Kvalitetskontrol går nemlig forud for tillid, fortæller han. Teknikken kan garantere, at grafen-baserede teknologier fremstilles mere ensartet og forudsigeligt og med færre fejl. DTU-forskerne fik i år metoden godkendt som den første officielle internationale målestandard for grafen. Metoden er tidligere i år beskrevet i artiklen Billeddannelse af grafen baner vejen for industrialisering.

Potentialet er stort. Grafen og andre todimensionelle materialer kan f.eks. gøre det muligt at fremstille højhastighedselektronik, som kan udføre lynhurtige beregninger med langt mindre strømforbrug end de teknologier, vi bruger i dag. Men i dag er der tre hovedproblemer, som skal løses inden grafen kan vinde større udbredelse på industriel skala og bruges i den elektronik, vi møder i hverdagen.

For det første er prisen for høj. Der skal produceres mere og hurtigere for at få prisen ned. Men dermed står man over for det andet problem: Når man sætter hastigheden op, og ikke kan se, hvad man laver, øges risikoen for fejl dramatisk. Derfor skal alt være indstillet præcist under overførselsprocessen. Hvilket bringer os til det tredje problem: Hvordan ved man, hvad der er præcist?

Det kræver målinger. Og allerhelst målinger, der udføres under selve overførselsprocessen. DTU teamet er overbevist om at den bedste løsning er kvalitetskontrol vha. terahertz-stråling. Peter Bøggild understreger dog, at de tre problemer ikke er løst med den nye metode alene:

”Vi har taget et meget væsentligt skridt på vejen. Vi har ombygget en lamineringsmaskine til et såkaldt roll-2-roll transfer system, der nænsomt løfter grafen-laget af den kobberrulle, grafenlaget er dyrket på og flytter det over på plastikfolie, uden at det går i stykker, bliver krøllet eller beskidt. Når vi kombinerer dette med terahertz-systemet, kan vi med det samme se, om processen er gået godt, eller om noget skal justeres. Altså om vi har ubrudt grafen med lav elektrisk modstand,” siger Peter Bøggild.

Terahertz-metoden blev til i samarbejde med andre forskere fra det danske innovationsfond projekt TRIM og fra det store EU-forskningsprojekt Graphene Flagship, som DTU deltager i med grundforskningscenteret Center for Nanostruktureret Grafen.

I videoen herunder forklarer Peter Bøggild metoden i detaljer. På hans blog hos Ingeniøren kan du læse hans egen beskrivelse af eksperimentet.