Welches Substrat sich am besten für Graphen eignet, hängt von der jeweiligen Anwendung und der Methode der Graphenherstellung ab.Kupfer, Kobalt und Nickel sind hochqualifizierte Substrate, die üblicherweise bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) zur Herstellung ein- und mehrlagiger Graphenschichten verwendet werden.Insbesondere Kupfer wird aufgrund seiner Fähigkeit, großflächiges, hochwertiges Graphen herzustellen, bevorzugt.Für das epitaktische Wachstum sind Ge(110)- und Cu(111)-Substrate geeignet, da sie gut mit dem Graphengitter übereinstimmen und das Wachstum mehrerer Graphenkörner mit der gleichen Ausrichtung ermöglichen.Außerdem werden hexagonales Bornitrid (h-BN) und Siliziumdioxid (Si/SiO2) für Anwendungen wie Feldeffekttransistoren verwendet.Letztendlich sollte die Wahl des Substrats auf die gewünschten Grapheneigenschaften und die spezifische Produktionsmethode abgestimmt sein.
Die wichtigsten Punkte erklärt:
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Kupfer, Kobalt und Nickel als CVD-Substrate:
- Diese Metalle werden häufig bei der CVD für die Graphenherstellung verwendet, da sie das Wachstum von ein- und mehrlagigen Graphenschichten erleichtern.
- Kupfer ist besonders beliebt, weil es die Herstellung von großflächigem, qualitativ hochwertigem Graphen ermöglicht, was es für viele Anwendungen zur bevorzugten Wahl macht.
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Epitaxiales Wachstum auf Ge(110) und Cu(111):
- Ge(110)- und Cu(111)-Substrate sind ideal für das epitaktische Wachstum von Graphen, da ihre Gitterstrukturen gut zu Graphen passen.
- Diese Übereinstimmung ermöglicht das Wachstum mehrerer Graphenkörner mit der gleichen Ausrichtung, was für die Herstellung gleichmäßiger und hochwertiger Graphenschichten entscheidend ist.
- Jüngste Fortschritte haben es möglich gemacht, großflächige Cu(111)-Einkristallfolien herzustellen und damit frühere Einschränkungen bei der Verfügbarkeit von Substraten zu überwinden.
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Anwendungsspezifische Substrate:
- Für Feldeffekttransistoren werden in der Regel Substrate wie hexagonales Bornitrid (h-BN) und Siliziumdioxid (Si/SiO2) verwendet.
- Diese Substrate bieten die notwendigen Eigenschaften für elektronische Anwendungen, wie hohe Ladungsträgerbeweglichkeit und geringe Grenzflächenstreuung.
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Kohlenstoffquellen für die Graphenproduktion:
- Methangas ist die beliebteste Kohlenstoffquelle für die Graphenproduktion, da es effizient und einfach zu verwenden ist.
- Erdölasphalt ist eine weniger beliebte, aber kostengünstige Alternative, die allerdings schwieriger zu verarbeiten ist.
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Kriterien für die Auswahl des Substrats:
- Die Wahl des Substrats sollte sich nach den spezifischen Anforderungen der Graphenanwendung richten, z. B. nach den gewünschten elektrischen Eigenschaften, der mechanischen Festigkeit und der Wärmeleitfähigkeit.
- Auch die Produktionsmethode (z. B. CVD, epitaktisches Wachstum) spielt eine wichtige Rolle bei der Bestimmung des am besten geeigneten Substrats.
Durch die Berücksichtigung dieser Faktoren kann man das beste Substrat für die Graphenproduktion auswählen, das auf die eigenen Bedürfnisse und Anwendungen zugeschnitten ist.
Zusammenfassende Tabelle:
| Substrat | Wesentliche Merkmale | Anwendungen |
|---|---|---|
| Kupfer | Erzeugt großflächiges, hochwertiges Graphen; weit verbreitet in der CVD. | Allgemeine Graphenproduktion |
| Kobalt/Nickel | Erleichtert das Wachstum von ein- und mehrlagigem Graphen im CVD-Verfahren. | Mehrschichtige Graphenfilme |
| Ge(110)/Cu(111) | Gitter stimmt mit Graphen überein; ermöglicht gleichmäßige Kornorientierung. | Epitaxiales Wachstum |
| h-BN/Si/SiO2 | Hohe Ladungsträgerbeweglichkeit, geringe Grenzflächenstreuung. | Feld-Effekt-Transistoren |
| Methangas | Effiziente und einfach zu verwendende Kohlenstoffquelle für die Graphenproduktion. | CVD-Graphen-Synthese |
| Erdöl-Asphalt | Kostengünstig, aber schwierig zu verarbeiten. | Alternative Kohlenstoffquelle |
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