Graphen, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem hexagonalen Gitter angeordnet sind, hat aufgrund seiner bemerkenswerten Eigenschaften große Aufmerksamkeit erregt.
Um diese Eigenschaften nutzbar zu machen, wurden verschiedene Verfahren für sein Wachstum entwickelt.
Im Folgenden werden fünf wichtige Methoden zur Herstellung von Graphen vorgestellt.
Welche Techniken gibt es für das Graphenwachstum? (5 Schlüsselmethoden erklärt)
1. Chemische Gasphasenabscheidung (CVD)
Chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist eine der vielversprechendsten Methoden zur Herstellung von hochwertigem einlagigem Graphen auf großen Flächen.
Bei der CVD wird eine Kohlenwasserstoffgasquelle verwendet.
Das Wachstum erfolgt entweder durch Diffusion und Entmischung von Kohlenstoff in einem Metallsubstrat mit hoher Kohlenstofflöslichkeit (z. B. Ni) oder durch Oberflächenadsorption in einem Metall mit geringer Kohlenstofflöslichkeit (z. B. Cu).
Bei der Vapor-Trapping-Methode, einer speziellen CVD-Technik, werden ein großes und ein kleines Quarzrohr verwendet, wobei CH4/H2 in das große Rohr eingeblasen und Cu-Folie in das kleine Rohr geladen wird.
Diese Methode ermöglicht das Wachstum von großkörnigen Graphenblüten, indem sie eine quasistatische Verteilung der Reaktionsgase schafft und die Kohlenstoffzufuhr reduziert.
2. Flüssig-Phasen-Exfoliation
Flüssig-Phasen-Exfoliation beinhaltet das Exfolieren von Graphit in einem Lösungsmittel unter Einsatz von Energie.
In der Regel werden nichtwässrige Lösungsmittel wie n-Methyl-2-Pyrrolidon (NMP) oder wässrige Lösungen mit einem Tensid verwendet.
Die Energie für die Exfoliation kann durch Ultraschallbeschallung oder hohe Scherkräfte erzeugt werden.
Diese Methode ist für die Massenproduktion geeignet, führt aber im Allgemeinen zu einer geringeren elektrischen Qualität als CVD.
3. Sublimation von Siliziumkarbid (SiC)
Die Sublimation von Siliziumkarbid (SiC) beinhaltet die thermische Zersetzung eines SiC-Substrats im Ultrahochvakuum, um die Verunreinigung zu minimieren.
Der überschüssige Kohlenstoff auf der Oberfläche ordnet sich um und bildet ein hexagonales Gitter, wodurch epitaktisches Graphen entsteht.
Diese Methode ist jedoch kostspielig und erfordert große Mengen an Si für eine groß angelegte Produktion.
4. Direktes Wachstum auf nicht-metallischen Substraten
Direktes Wachstum auf nicht-metallischen Substraten Bei diesem Verfahren wird Graphen direkt auf nichtmetallischen Oberflächen gezüchtet, die im Vergleich zu metallischen Oberflächen eine schwächere katalytische Aktivität aufweisen.
Dies kann durch hohe Temperaturen, metallunterstützte Katalyse oder plasmaunterstützte CVD kompensiert werden.
Obwohl die Qualität des mit dieser Methode hergestellten Graphen nicht so hoch ist, wird sie als potenzielle Methode für künftige industrielle Anwendungen angesehen.
5. 2D-Hybride
2D-Hybride beinhalten die Hybridisierung von Graphen mit anderen 2D-Materialien, um technologische Anwendungen zu verbessern.
So kann beispielsweise die Verwendung von Schichten aus hexagonalem Bornitrid (h-BN) als Substrate die Strom-Spannungs-Eigenschaften von Graphen-FETs verbessern.
Diese Hybride können durch Stapeln von Materialien entweder in einem Schicht-zu-Schicht-Transfer oder durch direktes Wachstum hergestellt werden, wobei letzteres Skalierbarkeit und weniger Verunreinigungen bietet.
Jede dieser Methoden hat ihre Vorteile und Herausforderungen, wobei die CVD-Methode aufgrund ihrer relativen Kosteneffizienz und Skalierbarkeit am häufigsten für die Herstellung von hochwertigem, großflächigem Graphen eingesetzt wird.
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