I raggi X hanno rivoluzionato la medicina, permettendoci di vedere attraverso la pelle senza intervento chirurgico. Allo stesso modo, la spettroscopia a terahertz penetra gli strati di grafene, consentendo agli scienziati di mapparne la qualità e le proprietà elettriche senza danneggiare o contaminare il materiale. Il Graphene Flagship, un progetto finanziato dalla Commissione Europea, ha promosso la collaborazione tra ricercatori di diverse università e aziende per sviluppare e perfezionare questa tecnica analitica. Ora, il nuovo strumento per la caratterizzazione del grafene è pronto.
Questo sforzo è stato reso possibile dall'ecosistema collaborativo del Graphene Flagship, con la partecipazione di scienziati della DTU (Danimarca), dell'IIT (Italia), dell'Università Aalto (Finlandia), di AIXTRON (Regno Unito), di imec (Belgio), di Graphenea (Spagna), dell'Università di Varsavia (Polonia) e di THALES (Francia), nonché di collaboratori esterni in Cina, Corea e Stati Uniti.
Il grafene si trova spesso interposto tra diversi strati di materiali all'interno di dispositivi fotonici ed elettronici. Ciò complica i processi di controllo qualità. La spettroscopia a terahertz semplifica le cose; Consente l'imaging di materiali incapsulati, rivelando la qualità del grafene al suo interno e mostrando eventuali imperfezioni generate durante il processo di produzione. Grazie a questa tecnologia rapida e non distruttiva, le proprietà elettriche del grafene e di altri materiali bidimensionali possono essere analizzate senza contatto diretto.
Lo sviluppo di tecniche di caratterizzazione come la spettroscopia a terahertz è fondamentale per accelerare la produzione di grafene su larga scala, in quanto garantisce che i dispositivi vengano prodotti in modo coerente, riproducibile e senza errori. Il controllo qualità è essenziale per costruire fiducia. Grazie al lavoro del Graphene Flagship, metodi di produzione continua di grafene come il sistema roll-to-roll sono già presenti sul mercato. Ora, la spettroscopia a terahertz garantisce che la produzione di grafene possa essere scalata senza comprometterne la qualità. 
"Avevamo bisogno di questa tecnica per garantire una qualità che corrispondesse ai livelli di produzione raggiunti dal Graphene Flagship", spiega Peter Bøggild, ricercatore presso la DTU, in Danimarca, un'istituzione che fa parte del Graphene Flagship. “La spettroscopia a terahertz sarà per la produzione di grafene ciò che i raggi X sono per gli ospedali: diventerà una tecnica di routine. Con essa, sarà possibile mappare metri quadrati di grafene senza toccarlo, cosa impossibile con qualsiasi altra tecnica attualmente disponibile.” Inoltre, il Graphene Flagship sta ora esplorando come implementare questo sistema di controllo qualità direttamente nei suoi dispositivi di produzione continua di grafene roll-to-roll. La collaborazione
è stata fondamentale per raggiungere questo traguardo. I ricercatori del Graphene Flagship presso istituzioni accademiche hanno lavorato a stretto contatto con aziende leader del settore, come AIXTRON, Graphenea (a San Sebastián) e IMEC. “Questo è il modo migliore per garantire che la nostra tecnica sia utile per i nostri utenti, ovvero le aziende che producono grafene e materiali bidimensionali ogni giorno”, aggiunge Bøggild. “Il nostro articolo esamina sistematicamente la versatilità, il potenziale e la riproducibilità della spettroscopia a terahertz per il controllo qualità e dovrebbe guidare i nostri colleghi nell'applicazione della tecnologia a substrati rilevanti per l'industria come silicio, zaffiro, carburo di silicio e polimeri”, aggiunge.
Lo sviluppo di standard è fondamentale per la creazione e la commercializzazione di nuovi materiali, in quanto garantisce sicurezza e autenticità, assicurando al contempo risultati coerenti e affidabili. Per questo motivo, il Graphene Flagship ha istituito un gruppo di lavoro dedicato alla standardizzazione del grafene, nonché delle misurazioni e delle tecniche analitiche associate ai processi di produzione industriale. Questo nuovo metodo di spettroscopia a terahertz è sul punto di diventare una tecnica standard, grazie al lavoro del comitato di standardizzazione del Graphene Flagship. "Ciò accelererà senza dubbio l'adozione della tecnologia, in quanto garantisce un metodo standard e riproducibile per analizzare e confrontare i campioni di grafene", afferma Peter Jepsen, ricercatore presso la DTU (Università Tecnica della Danimarca), membro del Graphene Flagship. "La spettroscopia a terahertz rappresenta un ulteriore passo avanti verso una maggiore fiducia nei prodotti a base di grafene", aggiunge.
Amaia Zurutuza, coautrice dell'articolo e direttrice scientifica di Graphenea, azienda del Graphene Flagship, afferma: "Noi di Graphenea siamo convinti che la spettroscopia a terahertz garantirà lo sviluppo di tecniche di controllo qualità scalabili ai livelli di produzione di cui abbiamo bisogno, assicurando la produzione di grafene di alta qualità, essenziale nel nostro percorso verso l'industrializzazione".
Thurid Gspann, coordinatore del comitato di standardizzazione del Graphene Flagship, aggiunge: "La spettroscopia a terahertz sarà adottata dall'industria; non richiede alcuna preparazione del campione e consente la mappatura e l'analisi di ampie aree in modo rapido ed efficiente".
Marco Romagnoli, direttore della divisione elettronica e fotonica del Graphene Flagship, commenta: “La spettroscopia a terahertz è una tecnica all'avanguardia per la scalabilità delle applicazioni elettroniche, un sistema ad alto TRL per la caratterizzazione di più strati di grafene depositati su wafer di silicio. Opera in modo rapido e preciso, fornendo informazioni su diversi parametri interessanti come mobilità, conduttività, tempo di scattering e densità di carica. Questo risultato è di grande valore e dimostra l'importanza di sviluppare progetti trasversali e multidisciplinari come il Graphene Flagship.”
Andrea Ferrari, STO del Graphene Flagship, aggiunge: “Ancora una volta, i ricercatori del Graphene Flagship hanno aperto la strada nella creazione di una tecnica di caratterizzazione per facilitare lo sviluppo di tecnologie con il grafene e i materiali bidimensionali. Questo ci aiuterà a progredire, a continuare a innovare e a consentire all'industria di continuare a utilizzare il grafene in un'ampia gamma di applicazioni.
Riferimento:
“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. DMA Mackenzie, J. Ji, C. Sun, P. Seneor, B. Dlubak, B. Luo, FW Østerberg, D. Huang, H. Shi, D. Luo, M. Wang, RS Ruoff, BR Conran, C. McAleese, C. Huyghebaert, S. Brems, TJ Booth, I. Napal, W. Strupinski, DH Petersen, S. Forti, C. Coletti, A. Jouvray, KBK Teo, A. Centeno, A. Zurutuza, P. Legagneux, PU Jepsen, P. Bøggild. Materiali 2D, 2021, DOI: 10.1088/2053-1583/abdbcb.
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