Hurtigere, mere præcis, mere stabil:Undersøgelse optimerer grafenvækst

Hvert atomlag tyndt, rivefast, og stabil. Grafen ses som fremtidens materiale. Den er ideel til f.eks. producerer ultralet elektronik eller meget stabile mekaniske komponenter. Men de wafertynde kulstoflag er svære at fremstille. På det tekniske universitet i München (TUM), Jürgen Kraus har fremstillet selvbærende grafenmembraner, og samtidig systematisk undersøgt og optimeret væksten af ​​grafenkrystallerne. Han blev tildelt Evonik Research Prize for sit arbejde.

Grafen slår alle rekorder. Det er det tyndeste og mest stabile materiale i verden, ultralet, rivesikker, elektrisk ledende, og meget modstandsdygtig. Siden det blev opdaget i 2004, de todimensionelle strukturer sammensat af kulstofatomer har givet næring til fantasien og opfindsomheden. Science fiction-forfattere anser materialet for egnet til at bygge kabler til at drive rumelevatorer. Materialeforskere eksperimenterer med grafenskærme, transistorer, og elektroder, som foregiver at gøre fremtidens elektronik lettere, mere stabil, og længere levetid. I det videnskabelige samfund, film af meget ren grafen er meget eftertragtede, da de tillader gasser og væsker at blive pakket på en ultratæt måde.

"I øjeblikket, imidlertid, de grundlæggende krav mangler stadig. Der er forskellige fremstillingsprocesser, som er velegnede til masseproduktion af grafen. Imidlertid, dette materiale er ikke fri for defekter. Grafen af ​​højeste krystallinske kvalitet kan ikke fremstilles reproducerbart på denne måde", forklarer Sebastian Günther, Professor i fysisk kemi ved TUM. Hans team er nu lykkedes med at analysere, overvågning, og optimering af væksten af ​​grafenkrystaller gennem kemisk dampaflejring (CVD forkortet). Resultaterne blev for nylig offentliggjort i Annalen der Physik ( Fysikkens annaler ).

Teori og forbehold i praksis

Teoretisk set, det er meget nemt at fremstille grafen:Alt hvad der er nødvendigt er en opvarmet glasbeholder, en reaktor, hvori kulstofholdig gas, såsom metan, tilføres, samt kobber som katalysator. Ved temperaturer omkring 1, 000 grader Celsius, metanen nedbrydes på kobberoverfladen og producerer brint og kulstof. Mens brinten efterfølgende forlader kobberoverfladen, kulstofatomerne samler sig på overfladen af ​​kobberfilmen, der bruges under denne kemiske udfældning fra den gasformige tilstand - en proces kaldet kemisk dampaflejring. Her, atomerne tværbinder og danner grafen "flager", pletlignende todimensionelle strukturer med den typiske bikagestruktur. Tilbage er brinten, som kan suges ud.

Imidlertid, i praksis, djævelen er i detaljerne. "Det største problem er, at den todimensionelle krystalstruktur ofte ikke er helt homogen, fordi vækst begynder samtidigt på flere steder", forklarer Jürgen Kraus, som udførte forsøgene. "Ved første øjekast, det ser ud til, at en kontinuerlig grafenfilm vises på kobberet, men de sekskantede honningkager er ikke alle orienteret på samme måde, og strukturen er svækket på steder, hvor de mødes."

Sådanne defekter kan undgås ved at sikre, at kobberets overflade er så fri for krystallisationskerner som muligt.

Med sine eksperimenter, kemikeren kunne påvise, at forurenende stoffer bedst kunne fjernes ved hjælp af iltgas - dvs. gennem oxidation. Imidlertid, for at undgå uønskede bivirkninger, Det skal sikres, at kobberkatalysatoren kun udsættes for de mindst mulige mængder ilt.

Afgørende for succes:Gaskoncentration og temperatur

I den anden del af hans eksperimenter, Kraus analyserede, hvordan forskellige partialtryk og temperaturer påvirker dannelsen af ​​grafen under kemisk dampaflejring. Hvis den anvendte gassammensætning indeholder for meget brint, ingen grafen vokser overhovedet; hvis den har for lidt brint, lagene bliver for tykke. Det er kun, når alle parametre er valgt således, at væksten sker "tæt nok" på den termiske ligevægt, at der dannes højrent grafen uden defekter i et krystalgitter.

Kvalitetstjek i Italien

For at verificere flagernes kvalitet, de München-baserede forskere tog en tur til Italien med deres prøver. På forskningscentret Elettra Sincrotrone Trieste, som er udstyret med en ringformet partikelaccelerator, de var i stand til kemisk og strukturelt at karakterisere grafenlagene med et specielt mikroskop, som havde en høj opløsning takket være den højenergiske synkrotronstråling.

"Resultaterne af forundersøgelsen var meget opmuntrende", beretter Günther. "Billederne har vist, at reproducerbare resultater kan opnås ved at vælge parametrene under kemisk dampaflejring"

TUM-forskernes hidtil bedste rekord for kvalitet:Grafenflager på en kvadratmillimeter indeholdende ti milliarder præcist afstemte kulstofatomer. "Fordelen i forhold til andre undersøgelser er ikke så meget den opnåede 'rekordstørrelse', men ligger i, at flagerne dannes med en forudsigelig væksthastighed, hvis de rigtige CVD-parametre vælges, derved tillade lukket, højkrystallinske grafenlag med en tykkelse på kun et atom, der skal fremstilles inden for få timer", opsummerer Günther.

Minifilm til nye applikationer

Grafen åbner op for en bred vifte af nye applikationer, frem for alt i grundforskning:For det første, de ultratynde grafenfilm kan f.eks. fjernes fra kobbersubstratet og anvendes som dækfilm. Sådanne film er egnede til at fange væsker i en beholder. Fordi filmene er gennemsigtige for langsomme elektroner, prøverne kan studeres via elektronspektroskopi og mikroskopi, selvom disse teknikker typisk bruges i ultrahøje vakuum eller høje vakuum.

Ved hjælp af filmene, forskerne har også til hensigt at undersøge levende celler, væskedækkede elektroder og katalysatorer under højt tryk via fotoelektronspektroskopi i fremtiden. I denne proces, fotoner, som er i stand til at trænge igennem filmen, overføre deres energi til elektronerne i prøven, sådan at de frigives og passerer gennem filmen til ydersiden. Deres energiniveauer kan derefter bruges til at udlede konklusioner vedrørende prøvens kemiske sammensætning.