Om goede toepassingen voor innovatieve, tweedimensionale materialen als grafeen te vinden, is het belangrijk om de eigenschappen ervan goed te kunnen beoordelen. Met een nieuwe methode kan dat nu vijftig keer zo snel. De techniek is ontwikkeld aan de Universiteit Twente.
Tot nu toe wordt grafeen gescand met Ramanspectroscopie. Het materiaal wordt daarbij met laserlicht bestraald. Door de verstrooide lichtdeeltjes met behulp van een grote lens op te vangen, komen trillingen en rotaties in de moleculen van het grafeen in beeld. Dat geeft informatie over de kristalstructuur.
'Grafeen kan defecten hebben', zegt onderzoeker Sachin Nair. 'Het is belangrijk om eventuele defecten op te sporen. Daarnaast geeft het scannen inzicht in de themrische en elektrische eigenschappen.'
Drastische verbetering
De methode werkt, maar kent enkele grote nadelen. Naar schatting slechts 1 op de 10 miljoen fotonen (lichtdeeltjes) die van de laser komen, wordt op de juiste wijze verstrooid. Dat maakt het lastig om de gewenste informatie te vinden. Bovendien kan het een halve seconde duren om een enkele pixel in beeld te brengen. Dat maakt de methode erg traag. Het laserlicht kan bovendien schadelijk zijn voor ultradunne materialen.
'Een sample is 100 bij 100 pixels groot. De scanner brengt die pixel voor pixel, lijn voor lijn in kaart. Daar gaat veel tijd mee kwijt', stelt Nair.
Nair en Jun Gao van de Universiteit Twente hebben nu een slim algoritme ontworpen dat de methode ineens vijftig keer zo snel maakt. De techniek blijft dezelfde, maar het algoritme biedt een drastische verbetering van de signaalverwerking. Ze publiceerden hun onderzoek onlangs in het wetenschappelijke tijdschrift National Science Review.
Het algoritme scheidt het eigenlijke signaal van de vele ruis. Op basis van een grote dataset is het namelijk in staat is om de karakteristieken van zowel de ruis als van het eigenlijke signaal te herkennen. Daarbij leert het algoritme voortdurend bij: hoe groter de dataset, hoe betrouwbaarder de herkenning van het gewenste signaal.
Tijdwinst
De tijdwinst is enorm. Het scannen van een sample duurt niet langer uren, maar slechts enkele minuten, schrijven de onderzoekers. Het verwerken van een enkele pixel, dat met de oude methode een halve seconde duurt, is nu binnen tien milliseconden gepiept. Ander voordeel is dat de intensiteit van het licht met minstens de helft omlaag kan. De kans op beschadigingen van het te onderzoeken materiaal wordt daarmee een stuk kleiner.
Ander voordeel is dat de nieuwe methode is gebaseerd op algemene wiskundige principes, stellen de onderzoekers. 'Daarom is zij betaalbaar, eenvoudig in te voeren en ook toepasbaar voor andere scanmethoden.' De benodigde hardware is dezelfde als bij de huidige methode. 'Alle universiteiten beschikken daaar al over', stelt Nair.
Grafeen is sterk en ultradun, wat het geschikt maakt voor velerlei toepassingen in onder meer communicatietechnologie. In de praktijk blijft het aantal toepassingen vooralsnog echter achter bij de verwachtingen.
Foto: Depositphotos
Nieuwsbrief
Vond je dit een interessant artikel, abonneer je dan gratis op onze wekelijkse nieuwsbrief.