Der Wachstumsmechanismus von Graphen wird in erster Linie durch die Art des verwendeten Metallkatalysators beeinflusst, wobei Kupfer (Cu) und Nickel (Ni) am häufigsten verwendet werden. Cu mit seiner geringen Kohlenstofflöslichkeit begünstigt einen Oberflächenwachstumsmechanismus, bei dem sich Graphen bei hohen Temperaturen auf der Cu-Oberfläche durch Kohlenwasserstoffzersetzung bildet. Umgekehrt ermöglicht Ni aufgrund seiner hohen Kohlenstofflöslichkeit einen Mechanismus der Oberflächentrennung und Ausscheidung. In diesem Fall diffundiert der Kohlenstoff bei hohen Temperaturen in die Ni-Masse und scheidet sich beim Abkühlen ab, was zur Bildung von Graphenschichten auf der Metalloberfläche führt.
Oberflächenwachstum auf Cu:
Das Wachstum von Graphen auf Cu beruht auf einem Prozess, bei dem sich Kohlenwasserstoffe bei hohen Temperaturen zersetzen und Kohlenstoffatome freisetzen, die sich dann auf der Cu-Oberfläche anlagern. Dieser Mechanismus wird dadurch begünstigt, dass Cu den Kohlenstoff nicht ohne Weiteres auflöst, so dass der Kohlenstoff auf der Oberfläche verbleibt und Graphen bildet. Das Wachstum ist in der Regel ein zweidimensionaler Prozess, bei dem sich Kohlenstoffspezies an den Rändern der wachsenden Grapheninseln anlagern und schließlich zu einer zusammenhängenden Monolage verschmelzen. Sobald sich eine vollständige Schicht gebildet hat, wird die Oberfläche weniger reaktiv, was das weitere Wachstum zusätzlicher Schichten verhindert.Segregation und Ausfällung auf Ni:
Im Gegensatz dazu ist der Wachstumsmechanismus auf Ni aufgrund seiner Fähigkeit, Kohlenstoff aufzulösen, komplexer. Während der Hochtemperatursynthese diffundieren die Kohlenstoffatome in die Ni-Masse. Wenn das System abkühlt, scheiden sich diese Kohlenstoffatome aus dem Ni aus und bilden Graphenschichten auf der Oberfläche. Dieser Prozess wird von der Abkühlungsgeschwindigkeit und der anfänglichen Kohlenstoffkonzentration im Ni beeinflusst, was sich auf die Anzahl und Qualität der erzeugten Graphenschichten auswirken kann.
Einfluss der Synthesebedingungen:
Die Keimbildung und das Wachstum von Graphen hängen in hohem Maße von verschiedenen Synthesebedingungen wie Temperatur, Druck, Fluss und Zusammensetzung des Vorläufers sowie von den Eigenschaften des Katalysators einschließlich seiner Kristallinität, Zusammensetzung, Kristallfacette und Oberflächenrauhigkeit ab. Diese Faktoren können die Form, Ausrichtung, Kristallinität, Keimbildungsdichte, Defektdichte und Entwicklung der Graphenkristalle erheblich beeinflussen.
Forschung und Entwicklung:
