Graphen, ein einatomiger dicker Film, wird durch ein Verfahren namens chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt. Bei diesem Verfahren werden Kohlenwasserstoffgase bei hohen Temperaturen auf einem Metallsubstrat zersetzt. Es ermöglicht die Kontrolle der Dicke der Graphenschicht und die Herstellung von hochwertigem, großflächigem Graphen.
Die 5 wichtigsten Schritte werden erklärt
1. Vorbereitung des Metallsubstrats
Das Metallsubstrat, das in der Regel aus Kupfer, Platin oder Iridium besteht, wird in einen Hochtemperaturofen gelegt.
2. Einleiten von Kohlenwasserstoffgas
Ein Kohlenwasserstoffgas, z. B. Methan oder Ethylen, wird in die Reaktionskammer eingeleitet.
3. Zersetzung und Bildung von Graphen
Bei hohen Temperaturen (etwa 1000 °C) zerfällt das Kohlenwasserstoffgas in einzelne Kohlenstoffatome, die sich dann an die Metalloberfläche binden. Diese Kohlenstoffatome verbinden sich zu einem kontinuierlichen Graphenfilm.
4. Kontrollparameter
Die Dicke und Qualität des Graphen kann durch die Einstellung von Parametern wie Gasdurchsatz, Temperatur und Belichtungszeit gesteuert werden.
5. Abtrennung und Übertragung
Nach der Bildung wird das Graphen vom Metallsubstrat abgetrennt und auf ein gewünschtes Substrat zur weiteren Verwendung übertragen.
Detaillierte Erläuterung
Rolle des Metallsubstrats
Das Metallsubstrat dient sowohl als Katalysator, um die Energiebarriere der Reaktion zu senken, als auch als Oberfläche für die Keimbildung von Graphen. Die Wahl des Metalls wirkt sich auf die Qualität und den Wachstumsmechanismus von Graphen aus. So wird beispielsweise häufig Kupfer verwendet, da es das Wachstum von einschichtigem Graphen fördert.
Zersetzung von Kohlenwasserstoffgas
Das Kohlenwasserstoffgas zersetzt sich bei den hohen Temperaturen in der Reaktionskammer und setzt dabei Kohlenstoffatome frei. Diese Atome sind hochreaktiv und verbinden sich leicht mit der Metalloberfläche.
Bildung von Graphen
Die Kohlenstoffatome ordnen sich in einer für Graphen charakteristischen hexagonalen Gitterstruktur an. Dieser Prozess wird durch die katalytischen Eigenschaften des Metallsubstrats begünstigt, das zur effizienten Bildung des Graphengitters beiträgt.
Kontrollierte Parameter
Durch Anpassung von Gasdurchsatz, Temperatur und Zeit können die Bedingungen optimiert werden, um Graphen mit den gewünschten Eigenschaften herzustellen. So kann beispielsweise eine Erhöhung der Temperatur oder der Gasdurchflussrate zu dickeren Graphenschichten führen.
Abtrennung und Übertragung
Sobald das Graphen gebildet ist, wird es in der Regel durch einen Transferprozess vom Metallsubstrat getrennt. Dabei wird das Metall weggeätzt oder ein Polymerträger verwendet, um das Graphen vom Metall abzuheben und es auf einem anderen Substrat zu platzieren, wo es für Anwendungen wie Elektronik oder Verbundstoffe verwendet wird.
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