Der Mechanismus der CVD-Graphenherstellung umfasst einen zweistufigen Prozess: Auflösung und Entmischung.
Im ersten Schritt werden die Kohlenstoffatome verdünnt oder in einen Übergangsmetallkatalysator, wie Nickel, Kupfer, Platin oder Iridium, eingebaut. Dieser Vorgang wird als Auflösen bezeichnet. Die Kohlenstoffatome diffundieren in das Metallsubstrat, angetrieben durch hohe Temperaturen im Substrat. Je höher die Temperatur, desto schneller läuft der Diffusionsprozess ab. Auch die Zeitdauer spielt eine Rolle, da die Kohlenstoffatome in dickeren Metallschichten mehr Zeit benötigen, um ihren Sättigungszustand zu erreichen.
Im zweiten Schritt, der so genannten Segregation, kühlen die Kohlenstoffatome schnell ab, wodurch sie sich vom Metallsubstrat lösen und eine Graphenschicht bilden. Diese rasche Abkühlung kann durch eine Senkung der Temperatur oder durch den Einsatz eines Kühlmittels erreicht werden. Die in das Metallsubstrat eingedrungenen Kohlenstoffarten reagieren miteinander und bilden kleine Kohlenstoffcluster. Sobald diese Cluster eine kritische Größe überschreiten, bilden sich Graphenkristalle und wachsen auf der Katalysatoroberfläche.
Beim CVD-Graphenverfahren werden kohlenstoffhaltige Gase auf einer metallischen Oberfläche in einer beheizten Reaktionskammer abgeschieden. Der Metallkatalysator wirkt sowohl als Katalysator für die Zersetzung der Kohlenstoffspezies als auch als Oberfläche für die Keimbildung des Graphen-Gitters. Temperatur, Druck, Zeitdauer und andere Bedingungen müssen sorgfältig überwacht werden, um das erfolgreiche Wachstum von Graphen zu gewährleisten.
CVD-Graphen hat aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften wie hohe Elastizität, mechanische Festigkeit sowie hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit großes Interesse geweckt. Es kann mit der CVD-Methode in großen Mengen hergestellt und auf verschiedene Substrate für unterschiedliche Anwendungen übertragen werden. Die Kohlenstoffvorläufer, wie z. B. Methan, werden auf einer Metallkatalysatoroberfläche, wie z. B. Kupfer, durch Zersetzung und Bildung von Kohlenstoffclustern in Graphen umgewandelt. Die CVD-Reaktion erfolgt in der Regel bei hohen Temperaturen, etwa 1000 °C. Sobald die Kohlenstoffcluster eine kritische Größe überschreiten, keimen und wachsen Graphenkristalle und bilden eine ein Atom dicke Schicht aus Kohlenstoffatomen.
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