虹科太赫茲丨最薄的圣誕樹？

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來自丹麥技術(shù)大學(xué)的研究人員制作了一顆厚度僅有一個原子的圣誕樹，該方法展示了如何用太赫茲測量技術(shù)確保石墨烯的質(zhì)量。

進(jìn)入主題

Heating up

（圖片來源：DTU.dk-News）

上圖中的圣誕樹長14cm。由于它是由石墨烯制成的，所以它只有一層碳原子，厚度僅有三分之一納米。它是從一卷10米長的石墨烯卷箔切下來的，利用重建的層壓機(jī)將它轉(zhuǎn)移，然后使用太赫茲輻射進(jìn)行測量。

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開篇相信大家就有很多疑問，究竟石墨烯是如何轉(zhuǎn)移到卷箔上，這個過程跟太赫茲又有什么關(guān)聯(lián)？下面讓小編娓娓道來：

理念核心與技術(shù)前提

Core

什么是石墨烯？

石墨烯被稱為二維材料，它由一層只有一個原子薄的內(nèi)聚層中的原子組成。比起我們知道的所有材料，石墨烯更粗糙、更堅硬，導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性更好。因此，石墨烯顯然是做電子線路的候選材料，因為它更節(jié)省空間、更輕、可彎曲以及比起現(xiàn)有的電子材料更高效。

日常生活中，人們可能對石墨烯沒什么概念。平時用到的鉛筆，輕輕在紙上一劃，其實(shí)就已經(jīng)有幾層石墨烯附在紙上。
用鉛筆在紙上畫一棵圣誕樹，立起來后，其厚度也比一個原子要厚，所以DTU大學(xué)開發(fā)的這項技術(shù)，號稱世界上最薄的圣誕樹也不為過，有一層碳原子厚。

如何制造石墨烯？

化學(xué)氣相沉積法CVD

首先將一塊銅箔作為襯底放入CVD管式爐中，然后通入甲烷氣體（CH4），并加熱到一千攝氏度。為什么要選擇銅？因為銅有催化作用，并且可以經(jīng)受一千多度的高溫，而只有在一千多度的高溫下，甲烷才能裂解成氫氣和碳。

甲烷分子由4個氫原子和單個碳原子組成，當(dāng)甲烷接觸到銅箔后，會在銅箔的催化作用下發(fā)生裂解，裂解出來的碳落在銅箔上，形成石墨烯膜，其余的氫原子則四處移動。

實(shí)驗難點(diǎn)

簡單理解為，一般石墨烯與銅箔一同作為材料對象的。

本次實(shí)驗中，石墨烯在1000°C下被沉積到銅箔上，這個過程是常見的效果良好的方法。但是超薄的石墨烯在轉(zhuǎn)移到卷箔上的過程，可能出現(xiàn)的問題也多。

由于石墨烯膜比廚房保鮮膜還要薄30000倍，所以在轉(zhuǎn)移時非常困難。DTU研究人員Abhay Shivayogimath通過幾次試驗，提出了一些創(chuàng)造性的轉(zhuǎn)移方式，這直接使得DTU工作者可以直接穩(wěn)定將石墨烯從銅箔轉(zhuǎn)移到附著的地方上。

另一方面，要確保石墨烯整體的電子質(zhì)量，即轉(zhuǎn)移的石墨烯導(dǎo)電性要好；

太赫茲在本次實(shí)驗的角色

太赫茲射線也能夠?qū)崿F(xiàn)石墨烯電阻的成像：本次實(shí)驗中，研究員通過連接太赫茲掃描器（太赫茲時域光譜儀）和轉(zhuǎn)移石墨烯膜的設(shè)備，能夠在轉(zhuǎn)移過程中對薄膜的電子性質(zhì)成像。

這里，研究人員利用彩色圖像來檢測石墨烯層如何吸收太赫茲輻射。這種吸收和電導(dǎo)率直接相關(guān)：石墨烯導(dǎo)電率越好，吸收越多。

石墨烯層從銅箔卷轉(zhuǎn)移到PVA層上，同時用太赫茲輻射進(jìn)行測量

實(shí)驗裝置與流程

Instrumentation

見視頻解析：

官方國際計量標(biāo)準(zhǔn)

Measurement Issues

假設(shè)石墨烯和其他二維材料的應(yīng)用需要加速。在這種情況下，我們必須以持續(xù)的質(zhì)量保證為前提。所以DTU的這項技術(shù)能夠保證石墨烯材料能夠以更少的錯誤、更均勻和更可預(yù)測地制造。今年這項技術(shù)被批準(zhǔn)為第一個官方的石墨烯計量檢測標(biāo)準(zhǔn)。一篇名為'Terahertz imaging of graphene paves the way to industrialisation'對此作出了更詳細(xì)的說明

從此可以看到，因為兩者都能夠制造出具有閃電般快速計算的高速電子設(shè)備，并且比起我們現(xiàn)如今使用的技術(shù)更低耗，所以太赫茲控制下的石墨烯和其他二維材料質(zhì)量控制是非常具有潛力的。但是在石墨烯更廣泛地應(yīng)用于工業(yè)和電子領(lǐng)域之前，我們需要解決三個正在面臨的問題：

價格昂貴

首先是昂貴的價格：這跟太赫茲元件有異曲同工之妙，因為目前環(huán)境下，太赫茲行業(yè)都在致力于降低元件成本的理念，對于石墨烯，不僅太赫茲檢測技術(shù)需要降本，其原料與制造成本也需要降溫，生產(chǎn)過程更要加快。

質(zhì)量無法保證

當(dāng)加快速度但是無法同步確保質(zhì)量的時候，出錯的風(fēng)險也會大幅度增加。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過程中，一切都必須是精確的。

精確度無法驗證

如何知道這是精確的？這需要測量，并且或許是在實(shí)際轉(zhuǎn)移過程中的測量。此文中的DTU團(tuán)隊相信最佳的方案是利用太赫茲輻射進(jìn)行質(zhì)量控制。

總結(jié)

Conclusion

DTU研人員所創(chuàng)造的太赫茲檢測技術(shù)，能夠用來加快石墨烯相關(guān)的應(yīng)用流程，提高制作工藝精度，還能夠應(yīng)用于其它二維材料的生產(chǎn)流程，降本減耗。這項技術(shù)是非常具有潛力的，同時又再次展現(xiàn)了太赫茲技術(shù)的優(yōu)越和廣泛性。相信不久的將來，國內(nèi)也能夠制作出所謂“最薄的中國結(jié)”，彰顯科技實(shí)力的一大進(jìn)步。