來自丹麥技術大學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確保石墨烯的質量。

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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，利用重建的層壓機將它轉移，然后使用太赫茲輻射進行測量。

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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移到卷箔上，這個過程跟太赫茲又有什么關聯？下面讓小編娓娓道來：

理念核心與技術前提

Core

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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，導電性和導熱性更好。因此，石墨烯顯然是做電子線路的候選材料，因為它更節省空間、更輕、可彎曲以及比起現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，其實就已經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大學開發的這項技術，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，當甲烷接觸到銅箔后，會在銅箔的催化作用下發生裂解，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。

實驗難點

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移到卷箔上的過程，可能出現的問題也多。

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，提出了一些創造性的轉移方式，這直接使得DTU工作者可以直接穩定將石墨烯從銅箔轉移到附著的地方上。

另一方面，要確保石墨烯整體的電子質量，即轉移的石墨烯導電性要好；

太赫茲在本次實驗的角色

太赫茲射線也能夠實現石墨烯電阻的成像：本次實驗中，研究員通過連接太赫茲掃描器（太赫茲時域光譜儀）和轉移石墨烯膜的設備，能夠在轉移過程中對薄膜的電子性質成像。

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。這種吸收和電導率直接相關：石墨烯導電率越好，吸收越多。

石墨烯層從銅箔卷轉移到PVA層上，同時用太赫茲輻射進行測量

實驗裝置與流程

Instrumentation

?見視頻解析：

官方國際計量標準

Measurement Issues

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

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備，并且比起我們現如今使用的技術更低耗，所以太赫茲控制下的石墨烯和其他二維材料質量控制是非常具有潛力的。但是在石墨烯更廣泛地應用于工業和電子領域之前，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，因為目前環境下，太赫茲行業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需要降本，其原料與制造成本也需要降溫，生產過程更要加快。

質量無法保證

當加快速度但是無法同步確保質量的時候，出錯的風險也會大幅度增加。在高速運轉過程中，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，并且或許是在實際轉移過程中的測量。此文中的DTU團隊相信最佳的方案是利用太赫茲輻射進行質量控制。

總結

Conclusion

DTU研人員所創造的太赫茲檢測技術，能夠用來加快石墨烯相關的應用流程，提高制作工藝精度，還能夠應用于其它二維材料的生產流程，降本減耗。這項技術是非常具有潛力的，同時又再次展現了太赫茲技術的優越和廣泛性。相信不久的將來，國內也能夠制作出所謂“最薄的中國結”，彰顯科技實力的一大進步。

THE END

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