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La espectroscopia de terahercios acelera la industrialización del grafeno

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Investigadores del proyecto europeo Graphene Flagship han desarrollado un nuevo estándar de medida para analizar grafeno y materiales bidimensionales que podría acelerar la producción y optimizar la fabricación industrial de dispositivos electrónicos

Las radiografías revolucionaron la medicina, permitiéndonos ver a través de la piel sin cirugía. Del mismo modo, la espectroscopia de terahercios penetra las capas de grafeno y permite a los científicos elaborar mapas de su calidad y sus propiedades eléctricas sin dañar ni contaminar el material. El Graphene Flagship, un proyecto financiado por la Comisión Europea, promovió la colaboración entre investigadores en diferentes universidades y en empresas para desarrollar y madurar esta técnica analítica. Ahora, la nueva herramienta para caracterizar grafeno esta lista.
Este esfuerzo fue posible gracias al ecosistema colaborativo del Graphene Flagship, con participación de científicos en DTU, Dinamarca; IIT, Italia; la Universidad de Aalto, Finlandia; AIXTRON, Reino Unido; imec, Bélgica; Graphenea, España; la Universidad de Varsovia, Polonia; y THALES, en Francia, así como colaboradores externos al proyecto en China, Corea y EE.UU.
El grafeno a menudo se encuentra en un sándwich de materiales con diferentes capas dentro de dispositivos para fotónica y electrónica. Esto complica los procesos de control de calidad. La espectroscopia de terahercios facilita las cosas; permite obtener imágenes de los materiales encapsulados, revelando la calidad del grafeno en su interior y mostrando cualquier imperfección generada durante el proceso de fabricación. Gracias a esta tecnología rápida y no destructiva, se pueden analizar las propiedades eléctricas del grafeno y otros materiales bidimensionales sin necesidad de un contacto directo.
El desarrollo de técnicas de caracterización como la espectroscopia de terahercios es fundamental para acelerar la fabricación de grafeno en gran escala, ya que garantizan que los dispositivos se fabrican de manera consistente y reproducible, además de sin errores. El control de calidad es necesario para generar confianza. Gracias al trabajo del Graphene Flagship, métodos de producción de grafeno en continuo como el sistema roll-to-roll ya están en el mercado. Ahora, la espectroscopia de terahercios garantiza que se puede escalar la producción de grafeno sin afectar a su calidad.
“Necesitábamos esta técnica para que la calidad fuera acorde con los niveles de producción que ha desarrollado el Graphene Flagship,” explica Peter Bøggild, investigador en DTU, Dinamarca, una institución que pertenece al Graphene Flagship. “La espectroscopia de terahercios será a la fabricación de grafeno lo que los rayos X son a los hospitales, se convertirá en una técnica de rutina. Gracias a ella, puedes elaborar mapas de metros cuadrados de grafeno sin tocarlo, lo que no es posible con ninguna otra técnica actual.” Además, el Graphene Flagship ahora estudia como implementar este sistema de control de calidad directamente en sus dispositivos de fabricación de grafeno en continuo roll-to-roll.
La colaboración fue fundamental para alcanzar este logro. Los investigadores del Graphene Flagship en instituciones académicas han trabajado mano a mano con empresas líderes del sector como AIXTRON, Graphenea (en San Sebastián) y IMEC. “Esta es la mejor manera de garantizar que nuestra técnica es útil para nuestros usuarios, las empresas que fabrican grafeno y materiales bidimensionales cada día,” añade Bøggild. “Nuestro artículo revisa sistemáticamente la versatilidad, potencial y reproducibilidad de la espectroscopia de terahercios para el control de calidad, y debería poder guiar a nuestros colegas para aplicar la tecnología en sustratos relevantes para la industria como el silicio, el safiro, el carburo de silicio y los polímeros,” añade.
Desarrollar estándares es importante para desarrollar y comercializar nuevos materiales, ya que son una garantía de seguridad, autenticidad y aseguran que sus resultados son consistentes y fiables. Por eso, el Graphene Flagship tiene un grupo de trabajo dedicado a la estandarización del grafeno, así como las medidas y técnicas analíticas asociadas a procesos de fabricación industriales. Este nuevo método de espectroscopia de terahercios está a punto de convertirse en una técnica estándar, gracias al trabajo del comité de estandarización del Graphene Flagship. “Sin duda, esto acelerará la adopción de la tecnología, ya que garantiza una forma estándar y reproducible de analizar y comparar las muestras de grafeno,” dice Peter Jepsen, investigador en DTU, Dinamarca, una institución que pertenece al Graphene Flagship. “La espectroscopia de terahercios es un paso más para aumentar la confianza en productos con grafeno,” añade.
Amaia Zurutuza, co-autora del artículo y directora científica de Graphenea, una empresa que pertenece al Graphene Flagship, dice: “En Graphenea estamos convencidos de que la espectroscopia de terahercios asegurará el desarrollo de técnicas de control de calidad que pueden ajustarse al nivel de producción que necesitamos, garantizando la fabricación de grafeno de alta calidad, esencial en nuestro camino hacia la industrialización.”
Thurid Gspann, coordinadora del comité de estandarización del Graphene Flagship, añade: “La espectroscopia de terahercios será adoptada por la industria, no requiere preparar la muestra y permite mapear y analizar grandes áreas en tiempos cortos y de manera muy eficiente.”
Marco Romagnoli, director de la división de electrónica y fotónica del Graphene Flagship, comenta: “La espectroscopia de terahercios es una técnica vanguardista para escalar las aplicaciones electrónicas, un sistema de alto TRL para caracterizar varias capas de grafeno depositadas en obleas de silicio. Funciona en tiempos cortos y con precisión, y da información de varios parámetros interesantes como la movilidad, la conductividad, el tiempo de dispersión y la densidad de carga. Este logro tiene un gran valor, y demuestra la importancia de desarrollar proyectos transversales y multidisciplinares como el Graphene Flagship.”
Andrea Ferrari, STO del Graphene Flagship, opina: “Una vez más, los investigadores del Graphene Flagship han liderado la creación de una técnica de caracterización para facilitar el desarrollo de tecnología con grafeno y materiales bidimensionales. Esto nos ayudará a progresar, seguir innovando y ayudará a que la industria siga utilizando grafeno en un amplio rango de aplicaciones.
Referencia
“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.

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