虹科太赫兹丨最薄的圣诞树？

 

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来自丹麦技术大学的研究人员制作了一颗厚度仅有一个原子的圣诞树，该方法展示了如何用太赫兹测量技术确保石墨烯的质量。

 

进入主题
 

Heating up
 

 

（图片来源：DTU.dk-News） 

上图中的圣诞树长14cm。由于它是由石墨烯制成的，所以它只有一层碳原子，厚度仅有三分之一纳米。它是从一卷10米长的石墨烯卷箔切下来的，利用重建的层压机将它转移，然后使用太赫兹辐射进行测量。

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开篇相信大家就有很多疑问，究竟石墨烯是如何转移到卷箔上，这个过程跟太赫兹又有什么关联？下面让小编娓娓道来：
 

 

理念核心与技术前提
 

Core

什么是石墨烯？

石墨烯被称为二维材料，它由一层只有一个原子薄的内聚层中的原子组成。比起我们知道的所有材料，石墨烯更粗糙、更坚硬，导电性和导热性更好。因此，石墨烯显然是做电子线路的候选材料，因为它更节省空间、更轻、可弯曲以及比起现有的电子材料更高效。

日常生活中，人们可能对石墨烯没什么概念。平时用到的铅笔，轻轻在纸上一划，其实就已经有几层石墨烯附在纸上。
用铅笔在纸上画一棵圣诞树，立起来后，其厚度也比一个原子要厚，所以DTU大学开发的这项技术，号称世界上最薄的圣诞树也不为过，有一层碳原子厚。

如何制造石墨烯？

化学气相沉积法CVD

首先将一块铜箔作为衬底放入CVD管式炉中，然后通入甲烷气体（CH4），并加热到一千摄氏度。为什么要选择铜？因为铜有催化作用，并且可以经受一千多度的高温，而只有在一千多度的高温下，甲烷才能裂解成氢气和碳。

甲烷分子由4个氢原子和单个碳原子组成，当甲烷接触到铜箔后，会在铜箔的催化作用下发生裂解，裂解出来的碳落在铜箔上，形成石墨烯膜，其余的氢原子则四处移动。

 

 

实验难点

 

简单理解为，一般石墨烯与铜箔一同作为材料对象的。

本次实验中，石墨烯在1000°C下被沉积到铜箔上，这个过程是常见的效果良好的方法。但是超薄的石墨烯在转移到卷箔上的过程，可能出现的问题也多。

 

由于石墨烯膜比厨房保鲜膜还要薄30000倍，所以在转移时非常困难。DTU研究人员Abhay Shivayogimath通过几次试验，提出了一些创造性的转移方式，这直接使得DTU工作者可以直接稳定将石墨烯从铜箔转移到附着的地方上。

 

另一方面，要确保石墨烯整体的电子质量，即转移的石墨烯导电性要好；

 

 

太赫兹在本次实验的角色
 

 

太赫兹射线也能够实现石墨烯电阻的成像：本次实验中，研究员通过连接太赫兹扫描器（太赫兹时域光谱仪）和转移石墨烯膜的设备，能够在转移过程中对薄膜的电子性质成像。

 

这里，研究人员利用彩色图像来检测石墨烯层如何吸收太赫兹辐射。这种吸收和电导率直接相关：石墨烯导电率越好，吸收越多。

 

石墨烯层从铜箔卷转移到PVA层上，同时用太赫兹辐射进行测量

实验装置与流程

Instrumentation
 

见视频解析：

官方国际计量标准

Measurement Issues  

假设石墨烯和其他二维材料的应用需要加速。在这种情况下，我们必须以持续的质量保证为前提。所以DTU的这项技术能够保证石墨烯材料能够以更少的错误、更均匀和更可预测地制造。今年这项技术被批准为第一个官方的石墨烯计量检测标准。一篇名为'Terahertz imaging of graphene paves the way to industrialisation'对此作出了更详细的说明

 

从此可以看到，因为两者都能够制造出具有闪电般快速计算的高速电子设备，并且比起我们现如今使用的技术更低耗，所以太赫兹控制下的石墨烯和其他二维材料质量控制是非常具有潜力的。但是在石墨烯更广泛地应用于工业和电子领域之前，我们需要解决三个正在面临的问题：

 

 

价格昂贵

首先是昂贵的价格：这跟太赫兹元件有异曲同工之妙，因为目前环境下，太赫兹行业都在致力于降低元件成本的理念，对于石墨烯，不仅太赫兹检测技术需要降本，其原料与制造成本也需要降温，生产过程更要加快。

 

 

质量无法保证

当加快速度但是无法同步确保质量的时候，出错的风险也会大幅度增加。在高速运转过程中，一切都必须是精确的。

 

 

精确度无法验证

如何知道这是精确的？这需要测量，并且或许是在实际转移过程中的测量。此文中的DTU团队相信最佳的方案是利用太赫兹辐射进行质量控制。

 

 

总结
 

Conclusion
 

 

DTU研人员所创造的太赫兹检测技术，能够用来加快石墨烯相关的应用流程，提高制作工艺精度，还能够应用于其它二维材料的生产流程，降本减耗。这项技术是非常具有潜力的，同时又再次展现了太赫兹技术的优越和广泛性。相信不久的将来，国内也能够制作出所谓“最薄的中国结”，彰显科技实力的一大进步。