Zur Herstellung von Graphen gibt es mehrere Methoden, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Grenzen haben.
4 Hauptmethoden der Graphenherstellung
1. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition, CVD) ist die am weitesten verbreitete Methode zur Herstellung von hochwertigem Graphen in großem Maßstab.
Bei diesem Verfahren wird Graphen auf einem Substrat, in der Regel einem Metall wie Kupfer oder Nickel, aufgewachsen.
Ein Kohlenwasserstoffgas, in der Regel Methan, wird auf hohe Temperaturen erhitzt, um es in Kohlenstoff- und Wasserstoffatome aufzuspalten.
Die Kohlenstoffatome verbinden sich dann mit dem Metallsubstrat und ordnen sich bei der Abkühlung des Systems zu einer Graphenschicht um.
CVD wird wegen seiner Skalierbarkeit und der hohen Qualität des erzeugten Graphens bevorzugt.
Techniken wie Batch-to-Batch- (B2B) oder Rolle-zu-Rolle- (R2R) Verfahren können den Durchsatz weiter erhöhen und größere Abmessungen von Graphenschichten erzielen.
2. Mechanische Exfoliation
Bei der mechanischen Exfoliation werden Graphenschichten mit Hilfe eines Klebebands von einer Graphitmasse abgeschält.
Diese Methode wurde von Geim und Novoselov entwickelt.
Es kann zwar qualitativ hochwertiges Graphen herstellen, ist aber aufgrund der geringen Ausbeute und der Unfähigkeit, großflächiges Graphen zu produzieren, nicht für die industrielle Produktion geeignet.
3. Flüssig-Phasen-Exfoliation
Bei dieser Methode wird Graphit in einem Lösungsmittel dispergiert und einer hohen Energiezufuhr, z. B. durch Ultraschall, ausgesetzt, um Graphenschichten abzutrennen.
Das Lösungsmittel muss eine geeignete Oberflächenspannung aufweisen, um die Graphenflocken zu stabilisieren.
Obwohl diese Methode für die Massenproduktion geeignet ist, ist die Qualität des erzeugten Graphen im Hinblick auf die elektrischen Eigenschaften im Allgemeinen geringer als bei CVD oder mechanischem Exfolieren.
4. Sublimation von Siliziumkarbid (SiC)
Bei dieser Technik wird SiC in einem Ultrahochvakuum auf hohe Temperaturen erhitzt, wodurch das Silizium sublimiert und eine Graphenschicht auf der SiC-Oberfläche zurückbleibt.
Mit dieser Methode kann zwar hochwertiges Graphen hergestellt werden, sie ist jedoch kostspielig und erfordert große Mengen an SiC, so dass sie sich weniger für eine groß angelegte Produktion eignet.
Jede dieser Methoden hat ihre Vorteile und Grenzen, wobei die CVD-Methode aufgrund ihrer Ausgewogenheit von Qualität, Skalierbarkeit und Kosteneffizienz derzeit bei industriellen Anwendungen führend ist.
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