Optimierte Methode zur Herstellung von Graphen

Forscher haben einen vielversprechenden Weg fur die Produktion besonders fehlerarmer Graphenschichten erkundet. Das begehrte Kohlenstoff-Material formt sich spontan auf der Oberflache von Nickel, das zuvor Kohlenstoff aufgenommen hat. Die extrem gute Qualitat des Graphens und die relativ niedrige Prozesstemperatur von gut 400 Grad Celsius machen die Methode interessant fur die praktische Anwendung, meinen die Forscher um Bernhard Klotzer von der Universitat Innsbruck. Das Team, zu dem auch Wissenschaftler des DESY- NanoLabs gehoren, stellt seine Untersuchungen im Fachblatt "Scientific Reports" vor.

Graphen besteht aus nur einer einzigen Lage von Kohlenstoffatomen, die wie ein atomarer Maschendrahtzaun angeordnet sind. Das Material besitzt eine erstaunliche chemische und strukturelle Stabilitat und eine hohe elektrische Leitfahigkeit, was es insbesondere fur die Elektronik interessant macht - etwa fur Transistoren, durchsichtige Elektroden, Solarzellen und Akkus. Außerdem weist es besondere mechanische Eigenschaften auf, durch die sich Filter und Dichtungen im Subnanometer-Maßstab bauen lassen. So ist Graphen beispielsweise gasdicht sogar fur Helium und Wasser, und kann daher als transparente Elektrode oder Membran verwendet werden. Als Graphenoxid hingegen kann eine kontrollierte Wasserdiffusion eingestellt werden, was z.B. fur Entsalzungsprozesse nutzbar ist. Zahlreiche andere ungewohnliche Eigenschaften erlauben zudem wissenschaftliche Experimente, die mit konventionellen Materialien nicht moglich sind. Fur ihre bahnbrechende Erforschung von Graphen bekamen der niederlandisch-britische Physiker Andre Geim und der russisch-britische Physiker Konstantin Novoselov 2010 den Nobelpreis.

"Angesichts seiner vielfaltigen Einsatzmoglichkeiten sind optimierte und kostengunstige Wege zur Produktion von großflachigem und zugleich defektarmem Graphen sehr gefragt", erlautert Forschungsleiter Klotzer. Heute wird der hauchdunne Kohlenstoff haufig mit Hilfe von Metallen hergestellt, die mit dem Gas Ethen bedampft werden. Ethen besteht aus zwei Kohlenstoff- und vier Wasserstoffatomen, die bei ausreichend hohen Temperaturen an dem Metall voneinander getrennt werden. Der Kohlenstoff schlagt sich dabei an der Metalloberflache in Form von Grapheninseln nieder. Bei existierenden Hochtemperatur- Methoden entstehen jedoch haufig Defekte. Das konnen einzelne Kohlenstoff-Maschen sein, die gegenuber den ubrigen Maschen verdreht sind, aber auch Locher im atomaren Kaninchendraht, wodurch er nicht mehr gasdicht ist.

"Nickel bietet sich fur die Graphenproduktion an, weil sein Kristallgitter perfekt den sechseckigen Graphen-Maschen entspricht", erlautert Ko-Autor Vedran Vonk aus dem DESY- NanoLab. "Allerdings war bislang nur die Entstehung von winzigen Graphenflachen mit Durchmessern im Mikrometerbereich auf Nickel beobachtet worden." Dies entsprach der theoretischen Erwartung, da Nickel in seinem Kristallgitter nach bisherigem Wissen zu wenig Kohlenstoff fur eine flachendeckende Graphenschicht aufnehmen kann. Zwar wird Ethen auch an einer Nickeloberflache aufgetrennt, das Metall geht mit dem freiwerdenden Kohlenstoff jedoch eine Bindung ein und bildet an der Oberflache ein sogenanntes Karbid. Der darin gespeicherte Kohlenstoff lasst sich durch sanftes Erhitzen wieder freisetzen. "Fur eine flachendeckende Graphen-Schicht ist aber rund viermal soviel Kohlenstoff notig", erklart Vonk.

An der Europaischen Synchrotronstrahlungsquelle ESRF untersuchten die Forscher mit Hilfe intensiver Rontgenstrahlung die Kohlenstoffkapazitat von Nickel nun genauer. Dabei stellten sie fest, dass Nickel nicht nur Kohlenstoff in Lucken seines metallischen Kristallgitters speichert und zusatzlich eine oberflachliche Karbidschicht bildet, sondern dass auch unter der Metalloberflache eine neue Karbidphase entsteht. "Das Nickel saugt den Kohlenstoff auf wie ein Schwamm", berichtet Vonk. Erhitzt man das in dieser Weise kohlenstoff-ubersattigte Metall nur leicht, bildet sich an der Oberflache spontan eine komplette Graphenschicht.

"Es war unerwartet, dass die Kohlenstoffmenge im vorbehandelten Nickel ausreicht, um eine luckenlose Graphenschicht zu erzeugen", sagt Klotzer. Tatsachlich werden alle drei Kohlenstoffspeicher im Nickel bei der Graphenentstehung komplett aufgebraucht. Die Wissenschaftler untersuchten eine Nickelprobe mit einem Zentimeter Durchmesser, die nach etwa 15 Minuten komplett mit einer perfekten Graphenschicht bedeckt war. Da die Graphenbildung in der Regel an verschiedenen Punkten startet, hangt die Dauer des Prozesses nur wenig von der Ausdehnung der Oberflache ab.

"Die relativ niedrige Prozesstemperatur von rund 400 Grad Celsius kann sowohl fur die Graphenqualitat als auch fur eine Produktion im industriellen Maßstab von großem Vorteil sein", betont Klotzer. Dennoch sind fur eine Anwendung noch technische Hurden zu meistern. So muss etwa eine Methode entwickelt werden, das Graphen zerstorungsfrei vom Nickel abzunehmen, ohne zu dicke Metallkristalle - etwa mit Hilfe von Saure - auflosen zu mussen. Als Wachstumssubstrate fur die potentielle industrielle Herstellung werden daher ultradunne Nickelfolien mit perfektem Kristallgitter angestrebt.

An der Arbeit waren die Universitat Innsbruck, die ESRF, das Berliner Fritz-Haber-Institut, die Universitat Hamburg, die Technische Universitat Wien und DESY beteiligt. Die Studie fand im Rahmen des österreichischen Sonderforschungsbereichs "Functional Oxide Surfaces and Interfaces" statt, der vom österreichischen Fonds zur Förderung der wissenschaftlichen Forschung (FWF) finanziert wird

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Quelle: Deutsches Elektronen-Synchrotron (DESY)