Die Synthese von Graphen erfolgt in erster Linie durch chemische Gasphasenabscheidung (CVD).
Mit dieser Methode werden hochwertige Graphenschichten auf verschiedenen Substraten, insbesondere auf Übergangsmetallen wie Nickel und Kupfer, erzeugt.
Die CVD-Methode wird bevorzugt, weil sie großflächige, gleichmäßige Graphenschichten für industrielle Anwendungen erzeugt.
Wie sieht der Syntheseprozess von Graphen aus? Die 5 wichtigsten Schritte werden erklärt
1. Katalysator und Substrat
Der Prozess beginnt mit einem Katalysator, in der Regel Kupfer oder Nickel, der als Substrat verwendet wird.
Diese Metalle werden aufgrund ihrer Fähigkeit ausgewählt, während des Abscheidungsprozesses mit Kohlenstoffatomen zu interagieren.
Kupfer hat zum Beispiel eine geringe Löslichkeit von Kohlenstoff, was die Bildung von einlagigem Graphen durch Oberflächenadsorption ermöglicht.
Nickel hat eine hohe Kohlenstofflöslichkeit, was die Diffusion und Entmischung der Kohlenstoffatome erleichtert.
2. Trägergase und Ausgangsmaterial
Der Katalysator wird Trägergasen, in der Regel Wasserstoff oder Argon, und einem Einsatzmaterial wie Methan ausgesetzt.
Diese Gase werden in die Reaktionskammer eingeleitet, wo sie sich bei hohen Temperaturen zersetzen und Kohlenstoffatome freisetzen.
3. Wachstumsbedingungen
Die Temperatur, der Druck und die Dauer der Reaktion sind kritische Parameter, die genau kontrolliert werden müssen, um die Qualität und Gleichmäßigkeit des Graphenfilms zu gewährleisten.
Die Kohlenstoffatome aus dem zersetzten Methan diffundieren in das Metallsubstrat und scheiden sich dann beim Abkühlen als Graphen aus.
4. Abkühlung und Transfer
Nach der Wachstumsphase wird das System abgekühlt, wodurch sich das Graphen auf der Metalloberfläche bildet.
Das Graphen wird dann auf ein gewünschtes Substrat übertragen, wobei Methoden angewandt werden, die eine Verunreinigung und Beschädigung des empfindlichen Films verhindern.
5. Industrielle Anwendungen
Das CVD-Verfahren, insbesondere unter Verwendung von Kupferfolie, wurde für die großtechnische Herstellung von Graphenschichten industrialisiert.
Techniken wie Batch-to-Batch- (B2B) und Rolle-zu-Rolle- (R2R) Verfahren wurden entwickelt, um den Durchsatz zu optimieren und große Breiten und Längen von Graphenfilmen zu erzielen.
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