Die größte Herausforderung bei der großtechnischen Herstellung von Graphen besteht darin, eine hohe Qualität, Homogenität und Kosteneffizienz zu erreichen und gleichzeitig die außergewöhnlichen Eigenschaften des Materials zu erhalten.
4 Schlüsselherausforderungen bei der großtechnischen Herstellung von Graphen
1. Kontrolle der Qualität von Graphenblättern
Die Herstellung von einlagigen Graphenschichten in Makrogröße mit gleichbleibender Qualität über große Flächen ist eine große Herausforderung.
Dies erfordert ein tiefes Verständnis der Synthesemethoden, wie der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD).
Techniken wie Raman-Imaging werden eingesetzt, um kritische Parameter und Mechanismen zu überwachen, die die Keimbildung und das Wachstum von Graphen bestimmen.
Ziel ist es, Defekte zu minimieren und eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit zu gewährleisten, die für die Aufrechterhaltung der bemerkenswerten Eigenschaften von Graphen, wie z. B. die ultrahohe Elektronenbeweglichkeit und die außergewöhnliche Wärmeleitfähigkeit, unerlässlich sind.
2. Industrietauglichkeit des Produktionsverfahrens
Für eine großtechnische Produktion müssen die Verfahren wirklich industrietauglich sein.
Dazu gehören Überlegungen zur Energieeffizienz (z. B. Niedertemperatursynthese zur Einsparung von Energiekosten) und zu den Materialkosten (z. B. alternative Kohlenstoffquellen oder Trägerfilme für den Graphen-Transfer).
Die Einführung von Hochtemperatur-Temperierverfahren könnte beispielsweise dem Ziel eines Niedrigtemperaturverfahrens widersprechen.
Darüber hinaus verlagert sich der Schwerpunkt von einzelnen Probenmetriken auf allgemeinere Aspekte wie Homogenität, Zuverlässigkeit und Stabilität, die für die Massenproduktion entscheidend sind.
3. Transfer und Verunreinigungsproblematik
Der Transfer von Graphen vom Wachstumssubstrat auf das endgültige Anwendungssubstrat bleibt ein Engpass im Produktionsprozess.
Bei diesem Schritt treten häufig Defekte und Verunreinigungen auf, die die Qualität des Graphens beeinträchtigen.
Um sicherzustellen, dass das Graphen seine Eigenschaften nach dem Transfer beibehält, sind wirksame Transfermethoden unerlässlich.
4. Verwendung von "echtem" Graphen
Es ist notwendig, den Schwerpunkt von idealem Graphen auf echtes Graphen zu verlagern, das von Natur aus fehlerhaft und verunreinigt ist.
Dazu müssen Techniken zur Herstellung von Bauteilen entwickelt werden, die die Eigenschaften von Graphen in seiner realen Form nutzen können.
Die Identifizierung von Anwendungen, bei denen das Vorhandensein von Defekten die Leistung nicht wesentlich beeinträchtigt, ist entscheidend.
So erfordern beispielsweise Anwendungen wie transparente leitfähige Elektroden für Touchscreens eher einen geringen Schichtwiderstand und eine gute Gleichmäßigkeit als eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit.
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