Bei der Graphen-Synthese kommen hauptsächlich zwei Methoden zum Einsatz: ein "Top-down"-Ansatz und ein "Bottom-up"-Ansatz.
Bei der "Top-down"-Methode wird Graphit mechanisch abgeschält.
Beim "Bottom-up"-Ansatz liegt der Schwerpunkt auf der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD).
Die CVD-Methode zeichnet sich insbesondere durch ihre Fähigkeit aus, hochwertige, großflächige Graphenschichten für industrielle Anwendungen herzustellen.
Welche Synthesemethoden gibt es für Graphen? 5 Hauptansätze erklärt
1. Top-Down-Ansatz: Mechanische Exfoliation
Bei der Top-Down-Methode, die durch mechanisches Exfolieren veranschaulicht wird, werden die Graphenschichten von der Graphitmasse getrennt.
Diese Technik wurde erstmals von Geim und Novoselov im Jahr 2004 vorgestellt.
Obwohl diese Methode aufgrund der hohen Qualität des gewonnenen Graphens für die Grundlagenforschung nützlich ist, lässt sie sich aufgrund des hohen Arbeitsaufwands und der geringen Größe der erzeugten Graphenflocken nicht in großem Maßstab herstellen.
2. Bottom-Up-Ansatz - Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
CVD ist derzeit die vielversprechendste Technik für die Synthese von hochwertigem Graphen in großem Maßstab.
Das Verfahren beinhaltet in der Regel die Zersetzung eines Kohlenwasserstoffgases (z. B. Methan) auf einer Metallkatalysatoroberfläche, z. B. Kupfer oder Nickel, bei hohen Temperaturen.
Die Kohlenstoffatome aus dem zersetzten Gas diffundieren dann in das Metall und scheiden sich beim Abkühlen als Graphen auf der Oberfläche ab.
2.1 Nickel-Substrat
Im Falle von Nickel können die Kohlenstoffatome durch die hohe Temperatur in das Nickel diffundieren.
Beim Abkühlen wandern diese Kohlenstoffatome an die Oberfläche und bilden Graphen.
Diese Methode ist effektiv, kann aber zur Bildung von mehrlagigem Graphen führen und erfordert eine genaue Steuerung der Abkühlungsrate, um die Qualität und Dicke der Graphenschicht zu optimieren.
2.2 Kupfersubstrat
Kupfer wird am häufigsten verwendet, da es die Bildung von einschichtigem Graphen begünstigt.
Das CVD-Verfahren, bei dem Kupfersubstrate verwendet werden, beinhaltet die Zersetzung von Methan auf der Kupferoberfläche, wobei sich die Kohlenstoffatome im Kupfer lösen und sich dann beim Abkühlen zu Graphen abscheiden.
Dieses von Li et al. im Jahr 2009 entwickelte Verfahren wurde für die großtechnische Herstellung von Graphenschichten industrialisiert.
3. Großflächige und Massenproduktion
Die CVD-Methode wurde durch Techniken wie das Batch-to-Batch- (B2B) und das Rolle-zu-Rolle-Verfahren (R2R) für die großflächige und massenhafte Produktion weiter optimiert.
Beim B2B-Verfahren werden Kupferfolien gestapelt oder gewalzt, um den Produktionsdurchsatz zu erhöhen.
Das R2R-Verfahren verbessert die Automatisierung und Skalierbarkeit und ermöglicht die Herstellung von Graphenfolien mit praktisch unbegrenzter Länge.
4. Anwendungen und Markt
Während bei der Top-Down-Methode in erster Linie Graphen-Pulver und -Nanopartikel hergestellt werden, die in verschiedenen nichtelektronischen Anwendungen zum Einsatz kommen, ist das CVD-gewachsene Graphen aufgrund seiner überlegenen Qualität und seines größeren Maßstabs eher auf elektronische Anwendungen ausgerichtet.
Es wird erwartet, dass der Markt für Graphen, insbesondere in Form von Pulvern und Nanopartikeln, beträchtlich wachsen wird, mit einem potenziellen Umsatz von mehr als 600 Millionen Dollar im nächsten Jahrzehnt.
5. Industrielle Relevanz der CVD
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Synthese von Graphen sowohl Top-down- als auch Bottom-up-Methoden umfasst, wobei die CVD-Methode aufgrund ihrer Skalierbarkeit und der hohen Qualität des erzeugten Graphens die größte industrielle Bedeutung hat.
Diese Methode ist von entscheidender Bedeutung, um die wachsende Nachfrage nach Graphen in verschiedenen Hightech-Anwendungen zu decken.
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