Graphen wird in großem Maßstab hauptsächlich durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hergestellt.
Bei diesem Verfahren werden Kohlenstoffspezies auf einer Katalysatoroberfläche abgeschieden, die dann Graphenkristalle bilden.
Die Qualität des hergestellten Graphens wird mit Hilfe der Raman-Imaging-Mikroskopie bewertet.
Wie wird Graphen in großem Maßstab hergestellt? Die 4 wichtigsten Methoden werden erklärt
1. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Beim CVD-Verfahren wird ein Substrat (häufig Kupfer oder Nickel) bei hohen Temperaturen einem kohlenstoffhaltigen Gas, wie Methan oder Ethylen, ausgesetzt.
Die Gasmoleküle zersetzen sich an der Katalysatoroberfläche und setzen dabei Kohlenstoffatome frei.
Diese Kohlenstoffatome diffundieren über die Oberfläche und lagern sich zu Clustern zusammen.
Sobald diese Cluster eine kritische Größe erreicht haben, bilden sie sich zu Graphenkristallen.
Im weiteren Verlauf der Abscheidung wachsen diese Grapheninseln und verschmelzen schließlich zu einer kontinuierlichen, einlagigen Graphenschicht.
Die geringe Reaktivität der Graphenoberfläche im Vergleich zum Katalysator verhindert in der Regel das Wachstum weiterer Schichten.
2. Qualitätsbeurteilung mit Raman-Imaging-Mikroskopie
Nach dem CVD-Prozess wird die Qualität des Graphens mit Hilfe der Raman-Imaging-Mikroskopie bewertet.
Bei dieser Technik wird das Graphen mit Laserlicht angeregt, und das gestreute Licht wird analysiert, um die Schwingungsenergie des Graphengitters zu bestimmen.
Die Raman-Spektren geben Aufschluss über die Anzahl der Schichten, das Vorhandensein von Defekten und die Qualität des Graphens.
So wird beispielsweise das Intensitätsverhältnis der D- und G-Bande (ID/IG) häufig zur Bewertung der Defektdichte in Graphen verwendet.
3. Produktion im industriellen Maßstab
Die industrielle Produktion von Graphen mittels CVD wurde durch verschiedene Techniken optimiert.
Beim Batch-to-Batch-Verfahren (B2B) werden beispielsweise Kupferfolien gestapelt oder gewalzt, um den Produktionsdurchsatz zu erhöhen.
Eine weitere Methode ist das Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R), das die kontinuierliche Herstellung von Graphenfolien mit praktisch unbegrenzter Länge, aber begrenzter Breite ermöglicht.
Diese Methode ist hoch automatisiert und besser mit den nachfolgenden Verarbeitungsschritten vereinbar.
4. Herausforderungen bei der Massenproduktion
Trotz der Fortschritte bei den CVD-Verfahren bestehen weiterhin Herausforderungen bei der Massenproduktion von hochwertigem Graphen mit minimalen Defekten und großen Korngrößen zu niedrigen Kosten.
Die Kontrolle der CVD-Prozessparameter wie Temperatur, Druck, Gasdurchsatz und die Wahl des Katalysators ist für die Herstellung von hochwertigem Graphen entscheidend.
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