Graphen wird vor allem wegen der geringen Kohlenstofflöslichkeit von Kupfer auf Kupfer gezüchtet, was einen oberflächenbasierten Wachstumsmechanismus ermöglicht, der zu hochwertigen, großflächigen Graphenblättern führt.
Diese Methode ist besonders effektiv bei der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), bei der Kupfer als Katalysator und Substrat dient.
Warum wird Graphen auf Kupfer gezüchtet? 5 Hauptgründe werden erklärt
1. Geringe Kohlenstofflöslichkeit des Kupfers
Kupfer hat im Vergleich zu anderen Übergangsmetallen wie Nickel eine geringe Löslichkeit von Kohlenstoff.
Diese Eigenschaft ist entscheidend, da sie einen oberflächenbasierten Wachstumsmechanismus für Graphen ermöglicht.
Wenn Kupfer bei CVD-Verfahren gasförmigen Kohlenwasserstoffen bei hohen Temperaturen ausgesetzt wird, lösen sich die Kohlenstoffatome aus den Kohlenwasserstoffen nicht ohne weiteres in das Kupfer, sondern bilden stattdessen Graphenschichten auf der Oberfläche.
Dies führt zur Bildung von Graphen direkt auf der Kupferoberfläche ohne nennenswerte Einbindung in das Metallsubstrat.
2. Mechanismus des Oberflächenwachstums
Der Oberflächenwachstumsmechanismus auf Kupfer ist vorteilhaft, da er in der Regel zu weniger Defekten und einer höheren Graphenqualität führt.
Da sich das Graphen direkt auf der Oberfläche bildet, ist es weniger wahrscheinlich, dass es durch Verunreinigungen oder Defekte, die durch Wechselwirkungen mit dem Metall entstehen könnten, beeinträchtigt wird.
Dies steht im Gegensatz zu Nickel, das eine hohe Kohlenstofflöslichkeit aufweist und zu einem Mechanismus führt, bei dem der Kohlenstoff in das Metall diffundiert und sich dann beim Abkühlen als Graphen ausscheidet, was häufig zu mehrlagigem Graphen mit mehr Defekten führt.
3. Großflächige Graphenproduktion
Kupfersubstrate werden auch deshalb bevorzugt, weil sie die Herstellung von großflächigen Graphenschichten ermöglichen.
Die Verwendung von Kupfergehäusen als Substrate bietet eine große Abscheidungsfläche für Graphen.
Durch eine sorgfältige Kontrolle der CVD-Prozessparameter, wie Temperatur und Druck, konnten die Forscher einkristalline Graphenblätter mit einer Größe von bis zu 2 mm erzeugen.
Diese Skalierbarkeit ist wichtig für praktische Anwendungen, insbesondere in der Elektronik und Photonik, wo große, gleichmäßige Graphenschichten benötigt werden.
4. Geringere Herausforderungen bei der Übertragung
Das Wachstum von Graphen direkt auf Kupfer kann auch einige der Herausforderungen verringern, die mit der Übertragung von Graphen vom Wachstumssubstrat auf andere Substrate für die Herstellung von Bauelementen verbunden sind.
Das direkte Wachstum auf Kupfer kann für Anwendungen von Vorteil sein, bei denen das Kupfer als Teil der endgültigen Bauelementestruktur verbleiben kann.
Dies verringert die Notwendigkeit des Transfers und verbessert möglicherweise die Gesamtleistung und Zuverlässigkeit der Bauelemente.
5. Verbesserte Oberflächenbehandlung
Forscher haben auch Techniken entwickelt, um die Qualität von auf Kupfer gewachsenem Graphen weiter zu verbessern, indem sie das Kupfersubstrat vor dem CVD-Prozess behandeln.
Dazu können chemische Behandlungen gehören, die die katalytische Aktivität verringern, die Korngröße des Kupfers erhöhen und die Oberflächenmorphologie verändern, um das Wachstum von Graphen mit weniger Fehlstellen zu erleichtern.
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