Die Nachteile der Graphenbeschichtung liegen vor allem in den Herausforderungen bei der Herstellung und den Auswirkungen von Defekten auf die Leistung. Die Qualität von Graphen wird maßgeblich von den Bedingungen der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) beeinflusst, einschließlich der Abkühlungsraten, der Substratqualität und dem Vorhandensein von Verunreinigungen. Darüber hinaus können bei der Übertragung der Graphenschichten von ihren Wachstumssubstraten auf die Anwendungssubstrate Defekte und Verunreinigungen auftreten, die die endgültige Leistung des Graphens in verschiedenen Anwendungen beeinträchtigen.
Herausforderungen in der Produktion:
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Qualitätskontrolle bei der CVD-Produktion: Die Qualität des mittels CVD hergestellten Graphens hängt in hohem Maße von den Kühlbedingungen und der Qualität des Substrats ab. Unterschiedliche Kühlraten und Kohlenwasserstoffkonzentrationen können zu unterschiedlichem Keimbildungs- und Wachstumsverhalten führen, was sich auf die Gleichmäßigkeit und Qualität der Graphenschicht auswirkt. Eine schlechte Substratqualität, wie z. B. Kupfersubstrate, die nicht ordnungsgemäß behandelt wurden, um Oxidation zu verhindern, kann ebenfalls die Qualität des Graphens beeinträchtigen.
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Verunreinigungen und Kontamination: Der Prozess der Abscheidung von Kohlenstoffatomen auf dem Substrat kann durch das Vorhandensein von Wasserstoffgasen und anderen Reaktionsgasen beeinflusst werden, was sich auf die Qualität des Graphens auswirken kann. Dies unterstreicht die Notwendigkeit einer genauen Kontrolle der chemischen Umgebung während der Produktion.
Probleme beim Transferprozess:
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Einführung von Defekten: Die Übertragung von Graphenschichten von katalytischen Metallsubstraten auf Anwendungssubstrate ist ein komplexer Prozess, der die Verwendung von PMMA als vorübergehenden Träger, das Ätzen des Metallsubstrats und Reinigungsschritte umfasst. Jeder dieser Schritte kann Defekte oder Verunreinigungen in das Graphen einbringen, die seine elektrischen und mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen können.
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Gleichmäßigkeit und Leistung: Der Transferprozess muss genauestens kontrolliert werden, um sicherzustellen, dass das Graphen die gewünschten Eigenschaften behält, wie z. B. einen geringen Schichtwiderstand und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, insbesondere für Anwendungen in der Elektronik und Optoelektronik. Die Realität sieht jedoch so aus, dass "echtes" Graphen oft Defekte und Verunreinigungen enthält, die seine Leistung im Vergleich zu "idealem" Graphen einschränken können.
Nutzung von echtem Graphen:
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Anpassung der Verfahren zur Herstellung von Bauelementen: Das Vorhandensein von Defekten und Verunreinigungen in Graphen erfordert die Entwicklung neuer Techniken zur Herstellung von Bauelementen, die die Nutzung der Eigenschaften von Graphen trotz dieser Unvollkommenheiten optimieren können. Dazu gehört auch das Verständnis, wie sich diese Defekte auf die Wechselwirkungen an den Grenzflächen und die Transporteigenschaften auswirken.
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Identifizierung geeigneter Anwendungen: Es ist von entscheidender Bedeutung, Anwendungen zu identifizieren, bei denen die Eigenschaften von "echtem" Graphen und nicht von "idealem" Graphen effektiv genutzt werden können. So können beispielsweise Anwendungen, die einen geringen Schichtwiderstand und eine gute Gleichmäßigkeit erfordern, mehr Defekte tolerieren als solche, die hochwertiges Graphen mit perfekter Kristallstruktur und hoher Ladungsträgerbeweglichkeit erfordern.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass Graphenbeschichtungen zwar ein beträchtliches Potenzial für verschiedene Industriezweige bieten, dass aber die Herausforderungen bei ihren Produktions- und Übertragungsprozessen sowie die Auswirkungen von Defekten und Verunreinigungen erhebliche Nachteile mit sich bringen, die es zu bewältigen gilt, um ihre Vorteile voll auszuschöpfen.
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