Graphen kann aus verschiedenen Materialien gewonnen und mit unterschiedlichen Methoden hergestellt werden, wobei die häufigste Kohlenstoffquelle Methangas ist. Zu den Produktionsmethoden gehören "Top-Down"-Methoden wie die mechanische Exfoliation aus Graphit und "Bottom-Up"-Methoden wie die chemische Gasphasenabscheidung (CVD). Katalysatoren wie Eisennanopartikel, Nickelschaum und Galliumdampf werden ebenfalls zur Verbesserung des Produktionsprozesses eingesetzt.
Kohlenstoffquelle:
Die wichtigste Kohlenstoffquelle für die Herstellung von Graphen ist Methangas. Methan wird aufgrund seiner Verfügbarkeit und der Effizienz, mit der es Kohlenstoff für die Graphen-Synthese liefern kann, bevorzugt. Während des CVD-Prozesses wird Methan verwendet, um die Kohlenstoffatome zu liefern, die das Graphen-Gitter bilden. Das Verfahren benötigt jedoch auch Wasserstoffgas, um die Abscheidung des Kohlenstoffs auf dem Substrat zu unterstützen und die Qualität des Graphens durch Entfernung von amorphem Kohlenstoff zu verbessern. Das Gleichgewicht zwischen Methan- und Wasserstoffdurchfluss ist von entscheidender Bedeutung, da zu viel Wasserstoff die Qualität des Graphens beeinträchtigen kann, indem er seine Gitterstruktur korrodiert.Verwendung von Katalysatoren:
Katalysatoren spielen bei der Herstellung von Graphen eine wichtige Rolle, insbesondere im CVD-Verfahren. Katalysatoren wie Eisennanopartikel, Nickelschaum und Galliumdampf erleichtern die Bildung von Graphen, indem sie die Zersetzung von Kohlenstoffquellen und die anschließende Abscheidung von Kohlenstoff auf Substraten fördern. Diese Katalysatoren können direkt im Wachstumsprozess eingesetzt oder außerhalb des Ablagerungsbereichs positioniert werden. Einige Katalysatoren müssen nach der Graphenbildung in zusätzlichen Schritten entfernt werden, was sich auf die Komplexität und die Kosten des Gesamtprozesses auswirken kann.
Produktionsmethoden:
Die Graphenproduktion kann grob in "Top-down"- und "Bottom-up"-Methoden unterteilt werden. Bei der Top-Down"-Methode wird Graphit mechanisch abgeschält, was aufgrund seiner begrenzten Skalierbarkeit hauptsächlich für Forschungszwecke genutzt wird. Im Gegensatz dazu wird die "Bottom-up"-Methode, insbesondere die CVD-Methode, häufig für die Produktion in großem Maßstab eingesetzt. CVD ermöglicht das Wachstum hochwertiger, großflächiger Graphenschichten auf Metallsubstraten wie Kupferfolie, was für kommerzielle Anwendungen entscheidend ist. Das CVD-Verfahren kann durch Batch-to-Batch- oder Rolle-zu-Rolle-Prozesse weiter optimiert werden, um den Durchsatz zu erhöhen und größere Abmessungen der Graphenfilme zu erreichen.
Herausforderungen und Überlegungen:
