Terahertz-Spektroskopie Graphen: Hohe Qualität bei der Herstellung sicherstellen

Redakteur: Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter

Forscher aus dem akademischen Umfeld und der Industrie arbeiten an Standards, um Graphen zu analysieren und den Herstellungsprozess zu optimieren. Dabei spielt die Terahertz-Spektroskopie eine entscheidende Rolle.

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Terahertz-Spektroskopie: Mit einem neuen Mess-Standard soll geschichtetes Graphen untersucht werden können.
Terahertz-Spektroskopie: Mit einem neuen Mess-Standard soll geschichtetes Graphen untersucht werden können.
(Bild: Graphene Flagship)

Mit der Entdeckung der Röntgen-Technik war es möglich, in das Innere eines Körpers zu schauen oder einen zerstörungsfreien Einblick in Komponenten und Bauteile zu bekommen. Ähnlich ist es mit der Terahertz-Spektroskopie: Sie erlaubt es, Graphen-Schichten zu durchdringen, ohne dabei das Material zu beschädigen oder zu beeinflussen. Wissenschaftler aus dem akademischen Umfeld und die Industrie haben sich jetzt zusammengeschlossen, um ein Analyseverfahren auf den Weg zu bringen.

Graphen wird in elektronischen und photonischen Geräten verwendet. Hier ist es zwischen verschiedenen Schichten und Materialien regelrecht eingeklemmt. Damit ist es schwierig, die Qualität zu beurteilen. Abhilfe verspricht die Terahertz-Spektroskopie. Sie ermöglicht es, die Qualität des verwendeten Graphens zu beurteilen, indem die Terahertz-Wellen Schwachstellen an kritischen Stellen bei der Herstellung aufdecken. Damit ist die Terahertz-Spektroskopie in der Lage, die elektrischen Eigenschaften von Graphen und geschichteten Materialien ohne einen direkten Kontakt zu untersuchen.

Wundermittel Graphen in großer Serie

Graphen wird immer wieder als Ersatzmaterial für Silizium gehandelt. Probleme gab es allerdings wegen der hohen Leitfähigkeit des Materials, die aufgrund des Fehlens von Bandlücken Probleme aufgeworfen hat. Doch dank verbesserter Herstellungsverfahren gab es kommerzielle Erfolge bei Sensoren und optoelektronischen Anwendungen. Hier ist vor allem die Rolle-zu-Rolle-Fertigung von Graphen und geschichteten Materialien zu nennen. Kombiniert mit der Terahertz-Spektroskopie steigt damit auch die Qualität der Materialien.

Schlüssel für den Erfolg mit Graphen ist die Zusammenarbeit von Forschung und Industrie. Das sogenannte „Graphene Flagship“ wurde von der Europäischen Kommission gegründet. Hier arbeiten die Partner DTU (Dänemark), IIT (Italien), Aalto University (Finnland), AIXTRON (Großbritannien), imec (Belgien), Graphenea (Spanien), Warsaw University (Polen) und Thales R&T aus Frankreich zusammen mit Kollegen aus China, Korea und den USA.

Standards sind notwendig

Für die gleichbleibende Qualiät von Graphen sind Standards notwendig. Die von der Europäischen Union gegründete Graphene Flagship arbeitet an einer Spezifikation auf Basis der Terahertz-Spektroskopie.
Für die gleichbleibende Qualiät von Graphen sind Standards notwendig. Die von der Europäischen Union gegründete Graphene Flagship arbeitet an einer Spezifikation auf Basis der Terahertz-Spektroskopie.
(Bild: Graphene Flagship)

Dabei spielen Standards eine wichtige Rolle bei der Entwicklung neuer Materialien. Sie stellen sicher, dass die Materialien unverfälscht sind und eine zuverlässige sowie gleichbleibende Leistung bieten. Deshalb gibt es im Graphene Flagship eine eigene Arbeitsgruppe, die sich mit der Standardisierung von Graphen, Mess- und Analysetechniken sowie Herstellungsprozessen beschäftigt.

Die neu entwickelte Methode für die Terahertz-Spektroskopie ist dank der Arbeit des Standardisierungskomitees des Graphene Flagship auf einem guten Weg, eine technische Standardspezifikation zu werden. „Das hilft uns, die neue Technologie zu beschleunigen. Außerdem ermöglichen uns einheitliche Standards, Graphen-Proben zu analysieren und zu vergleichen“, erklärt Peter Jepsen vom Graphene-Flagship-Partner DTU, der Mitautor der Studie ist. „Die Terahertz-Spektroskopie ist ein weiterer Schritt, um das Vertrauen in Graphen-fähige Produkte zu erhöhen“, schließt er ab.

Für die Beurteilung von CVD-Graphen (Chemische Gasphasenabscheidung) wurde beispielsweise ein Werkzeug entwickelt, um Multilayer-Stacks zu charakterisieren. Es arbeitet zügig und mit guter Genauigkeit. Dabei liefert es Parameter wie Ladungsträgerbeweglichkeit, Leitfähigkeit, Streuzeit sowie Ladungsträgerdichte.

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