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來(lái)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(gè)原子的圣誕樹，該方法展示了如何用太赫茲測(cè)量技術(shù)確保石墨烯的質(zhì)量。

進(jìn)入主題

Heating up

（圖片來(lái)源：DTU.dk-News）

上圖中的圣誕樹長(zhǎng)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(zhǎng)的石墨烯卷箔切下來(lái)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(cè)量。

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

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(gè)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(jiān)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?yàn)樗?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(duì)石墨烯沒(méi)什么概念。平時(shí)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(lái)后，其厚度也比一個(gè)原子要厚，所以DTU大學(xué)開發(fā)的這項(xiàng)技術(shù)，號(hào)稱世界上最薄的圣誕樹也不為過(guò)，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?yàn)殂~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(gè)氫原子和單個(gè)碳原子組成，當(dāng)甲烷接觸到銅箔后，會(huì)在銅箔的催化作用下發(fā)生裂解，裂解出來(lái)的碳落在銅箔上，形成石墨烯膜，其余的氫原子則四處移動(dòng)。

實(shí)驗(yàn)難點(diǎn)

簡(jiǎn)單理解為，一般石墨烯與銅箔一同作為材料對(duì)象的。

本次實(shí)驗(yàn)中，石墨烯在1000°C下被沉積到銅箔上，這個(gè)過(guò)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(guò)程，可能出現(xiàn)的問(wèn)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(shí)非常困難。DTU研究人員Abhay Shivayogimath通過(guò)幾次試驗(yàn)，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(yàn)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(yàn)中，研究員通過(guò)連接太赫茲掃描器（太赫茲時(shí)域光譜儀）和轉(zhuǎn)移石墨烯膜的設(shè)備，能夠在轉(zhuǎn)移過(guò)程中對(duì)薄膜的電子性質(zhì)成像。

這里，研究人員利用彩色圖像來(lái)檢測(cè)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(shí)用太赫茲輻射進(jìn)行測(cè)量

實(shí)驗(yàn)裝置與流程

Instrumentation

見視頻解析：

官方國(guó)際計(jì)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(xiàng)技術(shù)能夠保證石墨烯材料能夠以更少的錯(cuò)誤、更均勻和更可預(yù)測(cè)地制造。今年這項(xiàng)技術(shù)被批準(zhǔn)為第一個(gè)官方的石墨烯計(jì)量檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。一篇名為'Terahertz imaging of graphene paves the way to industrialisation'對(duì)此作出了更詳細(xì)的說(shuō)明

從此可以看到，因?yàn)閮烧叨寄軌蛑圃斐鼍哂虚W電般快速計(jì)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(gè)正在面臨的問(wèn)題：

價(jià)格昂貴

首先是昂貴的價(jià)格：這跟太赫茲元件有異曲同工之妙，因?yàn)槟壳碍h(huán)境下，太赫茲行業(yè)都在致力于降低元件成本的理念，對(duì)于石墨烯，不僅太赫茲?rùn)z測(cè)技術(shù)需要降本，其原料與制造成本也需要降溫，生產(chǎn)過(guò)程更要加快。

質(zhì)量無(wú)法保證

當(dāng)加快速度但是無(wú)法同步確保質(zhì)量的時(shí)候，出錯(cuò)的風(fēng)險(xiǎn)也會(huì)大幅度增加。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，一切都必須是精確的。

精確度無(wú)法驗(yàn)證

如何知道這是精確的？這需要測(cè)量，并且或許是在實(shí)際轉(zhuǎn)移過(guò)程中的測(cè)量。此文中的DTU團(tuán)隊(duì)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?rùn)z測(cè)技術(shù)，能夠用來(lái)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(xiàng)技術(shù)是非常具有潛力的，同時(shí)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(lái)，國(guó)內(nèi)也能夠制作出所謂“最薄的中國(guó)結(jié)”，彰顯科技實(shí)力的一大進(jìn)步。