Os raios X revolucionaram a medicina, permitindo-nos ver através da pele sem cirurgia. De forma semelhante, a espectroscopia de terahertz penetra nas camadas de grafeno, permitindo aos cientistas mapear a sua qualidade e propriedades elétricas sem danificar ou contaminar o material. O Graphene Flagship, um projeto financiado pela Comissão Europeia, fomentou a colaboração entre investigadores de várias universidades e empresas para desenvolver e aperfeiçoar esta técnica analítica. Agora, a nova ferramenta para caracterizar o grafeno está pronta.
Este esforço foi possível graças ao ecossistema colaborativo do Graphene Flagship, com a participação de cientistas da DTU, Dinamarca; IIT, Itália; Universidade Aalto, Finlândia; AIXTRON, Reino Unido; imec, Bélgica; Graphenea, Espanha; Universidade de Varsóvia, Polónia; e THALES, França, bem como colaboradores externos na China, Coreia e EUA.
O grafeno encontra-se frequentemente intercalado entre diferentes camadas de materiais em dispositivos fotónicos e eletrónicos. Isto complica os processos de controlo de qualidade. A espectroscopia de terahertz facilita este processo. A espectroscopia de terahertz permite a obtenção de imagens de materiais encapsulados, revelando a qualidade do grafeno no seu interior e evidenciando eventuais imperfeições geradas durante o processo de fabrico. Graças a esta tecnologia rápida e não destrutiva, as propriedades elétricas do grafeno e de outros materiais bidimensionais podem ser analisadas sem contacto direto.
O desenvolvimento de técnicas de caracterização como a espectroscopia de terahertz é fundamental para acelerar o fabrico de grafeno em larga escala, uma vez que garante que os dispositivos são fabricados de forma consistente, reprodutível e sem erros. O controlo de qualidade é essencial para construir confiança. Graças ao trabalho da Graphene Flagship, os métodos de produção contínua de grafeno, como o sistema rolo a rolo, já estão disponíveis no mercado. Agora, a espectroscopia de terahertz garante que a produção de grafeno pode ser ampliada sem afetar a sua qualidade.
"Precisávamos desta técnica para garantir uma qualidade que correspondesse aos níveis de produção atingidos pelo Graphene Flagship", explica Peter Bøggild, investigador da DTU, Dinamarca, instituição que faz parte do Graphene Flagship. “A espectroscopia de terahertz será para o fabrico de grafeno o que os raios X são para os hospitais — tornar-se-á uma técnica de rotina. Com ela, é possível mapear metros quadrados de grafeno sem lhes tocar, o que não é possível com nenhuma outra técnica atual.” Além disso, a Graphene Flagship está a explorar como implementar este sistema de controlo de qualidade diretamente nos seus dispositivos de fabrico contínuo de grafeno rolo a rolo. A colaboração
foi crucial para alcançar este marco. Os investigadores do Graphene Flagship em instituições académicas trabalharam em estreita colaboração com empresas líderes do setor, como a AIXTRON, a Graphenea (em San Sebastián) e a IMEC. “Esta é a melhor forma de garantir que a nossa técnica é útil para os nossos utilizadores — as empresas que fabricam grafeno e materiais bidimensionais todos os dias”, acrescenta Bøggild. “O nosso artigo revê sistematicamente a versatilidade, o potencial e a reprodutibilidade da espectroscopia de terahertz para o controlo de qualidade e deve orientar os nossos colegas na aplicação da tecnologia a substratos relevantes para a indústria, como o silício, a safira, o carboneto de silício e os polímeros”, acrescenta.
O desenvolvimento de normas é fundamental para o desenvolvimento e comercialização de novos materiais, pois garante segurança e autenticidade, além de assegurar resultados consistentes e fiáveis. Por esta razão, a Graphene Flagship possui um grupo de trabalho dedicado à padronização do grafeno, bem como das medições e técnicas analíticas associadas aos processos de fabrico industrial. Este novo método de espectroscopia de terahertz está prestes a tornar-se uma técnica padrão, graças ao trabalho do comité de padronização da Graphene Flagship. “Isto irá, sem dúvida, acelerar a adoção da tecnologia, uma vez que garante uma forma padronizada e reprodutível de analisar e comparar amostras de grafeno”, afirma Peter Jepsen, investigador da DTU, Dinamarca, e membro da Graphene Flagship. “A espectroscopia de terahertz é mais um passo para aumentar a confiança nos produtos de grafeno”, acrescenta.
Amaia Zurutuza, coautora do artigo e diretora científica da Graphenea, empresa do programa Graphene Flagship, afirma: “Na Graphenea, estamos convencidos de que a espectroscopia de terahertz garantirá o desenvolvimento de técnicas de controlo de qualidade que podem ser ampliadas para os níveis de produção necessários, assegurando o fabrico de grafeno de alta qualidade, essencial no nosso caminho para a industrialização.”
Thurid Gspann, coordenadora do comité de normalização do Graphene Flagship, acrescenta: “A espectroscopia de terahertz será adotada pela indústria; não requer preparação de amostras e permite o mapeamento e a análise de grandes áreas de forma rápida e muito eficiente”.
Marco Romagnoli, diretor da divisão de eletrónica e fotónica do Graphene Flagship, comenta: “A espectroscopia de terahertz é uma técnica de ponta para ampliar as aplicações eletrónicas, um sistema de alto nível de maturidade tecnológica (TRL) para caracterizar múltiplas camadas de grafeno depositadas em wafers de silício. Opera de forma rápida e precisa, fornecendo informação sobre vários parâmetros interessantes, como a mobilidade, a condutividade, o tempo de espalhamento e a densidade de carga. Esta conquista é extremamente valiosa e demonstra a importância do desenvolvimento de projetos transversais e multidisciplinares como o Graphene Flagship.”
Andrea Ferrari, investigadora técnica do Graphene Flagship, acrescenta: “Mais uma vez, os investigadores do Graphene Flagship lideraram o caminho na criação de uma técnica de caracterização para facilitar o desenvolvimento de tecnologia com grafeno e materiais bidimensionais. Isto ajudar-nos-á a progredir, a continuar a inovar e a permitir que a indústria continue a utilizar o grafeno numa vasta gama de aplicações.
Referência:
“Estudos de caso de caracterização elétrica de grafeno por espectroscopia de domínio do tempo em terahertz.” PR Whelan, B. Zhou, O. Bezencenet, A. Shivayogimath, N. Mishra, Q. Shen, BS 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. 2D Materials, 2021, DOI: 10.1088/2053-1583/abdbcb.

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