Einlagiges Graphen wird hauptsächlich durch ein Verfahren hergestellt, das als chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bekannt ist.
Bei diesem Verfahren werden Kohlenstoffatome kontrolliert auf ein Substrat, in der Regel eine Kupferfolie, unter bestimmten Temperatur-, Gasfluss- und Druckbedingungen abgeschieden.
Der Prozess ist genauestens geregelt, um die Bildung einer gleichmäßigen Monolage Graphen mit minimalen Defekten zu gewährleisten.
Die 5 wichtigsten Schritte werden erklärt
1. Aufbau des CVD-Prozesses
Das CVD-Verfahren für die Graphen-Synthese verwendet normalerweise Methan (CH4) und Wasserstoff (H2) als Gasquellen.
Diese Gase werden in einen CVD-Reaktor eingeleitet, in dem eine Kupferfolie als Substrat dient.
Kupfer wird gewählt, weil es eine hohe Löslichkeit für Kohlenstoff aufweist, was die Bildung von Graphen erleichtert.
2. Steuerung von Temperatur und Gasfluss
Die Temperatur im Reaktor wird sorgfältig kontrolliert und liegt oft zwischen 900 und 1000 Grad Celsius.
Diese hohe Temperatur erleichtert die Dissoziation von Methan in Kohlenstoff- und Wasserstoffatome.
Der Wasserstoff wirkt als Reduktionsmittel, während sich die Kohlenstoffatome an der Kupferoberfläche ablagern.
Die Gasdurchflussraten sind ebenfalls entscheidend und beeinflussen die Geschwindigkeit der Kohlenstoffabscheidung und die Qualität des gebildeten Graphens.
3. Bildung von Graphen
Wenn sich die Kohlenstoffatome auf dem Kupfer ablagern, ordnen sie sich in einer für Graphen charakteristischen hexagonalen Gitterstruktur an.
Der Prozess wird kontrolliert, um sicherzustellen, dass sich nur eine einzige Graphenschicht bildet.
Dies wird durch die Optimierung der Abkühlungsrate und der gesamten Prozessparameter erreicht, um die Bildung weiterer Schichten zu verhindern.
4. Selektive Entfernung von mehrlagigem Graphen
Um die Reinheit des einlagigen Graphens zu gewährleisten, werden Techniken wie die Verwendung einer kohlenstoffabsorbierenden Wolfram (W)-Folie, die von einer Kupferfolie umgeben ist, eingesetzt.
Mit dieser Methode wird zwei- oder dreilagiges Graphen selektiv entfernt, während das einlagige Graphen intakt bleibt.
5. Übertragung auf die gewünschten Substrate
Sobald das Graphen gezüchtet ist, ist es oft notwendig, es für verschiedene Anwendungen auf andere Substrate zu übertragen.
Dieser Transferprozess muss sorgfältig durchgeführt werden, um das Einbringen von Defekten oder Verunreinigungen zu vermeiden.
Je nach den Erfordernissen der Anwendung werden Techniken wie der Transfer von aufgelösten Substraten oder der Transfer von getrennten Substraten eingesetzt.
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