Der Mechanismus von CVD-Graphen besteht aus einem zweistufigen Prozess: Auflösung und Entmischung.
Was ist der Mechanismus von CVD-Graphen? Die 5 wichtigsten Schritte werden erklärt
1. Auflösung
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 gesättigten Zustand zu erreichen.
2. Segregation
Im zweiten Schritt, der so genannten Segregation, kühlen die Kohlenstoffatome rasch ab, wodurch sie sich vom Metallsubstrat lösen und eine Graphenschicht bilden.
Diese rasche Abkühlung kann durch eine Verringerung 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.
3. Abscheidung von kohlenstoffhaltigen Gasen
Bei der CVD-Graphenherstellung 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.
4. Überwachung kritischer Bedingungen
Temperatur, Druck, Zeitdauer und andere Bedingungen müssen sorgfältig überwacht werden, um das erfolgreiche Wachstum von Graphen zu gewährleisten.
5. Bildung von Graphenkristallen
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, bilden sich Graphenkristalle, die wachsen und eine einatomige Schicht aus Kohlenstoffatomen bilden.
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