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Nachwuchswissenschaftler verbessern Verfahren zur Herstellung von hochwertigem synthetischen Graphen

Jülich, 3.08.2015 – Wissenschaftler der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich haben eine neue Methode entwickelt, um synthetisches Graphen in ultra-hoher Qualität in großem Maßstab herzustellen. Die Herstellung beruht auf der bereits etablierten Methode der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD), welche die Forscher an entscheidenden Stellen verfeinern, indem sie Verunreinigungen des gewonnenen Graphens vermeiden und das verwendete Kupfer wiederverwertbar machen. Die Arbeit, die der 23-jährige Physikstudent Luca Banszerus und seine Kollegen nun im Fachjournal "Science Advances" vorstellen, entstand im Rahmen der Jülich Aachen Research Alliance (JARA). Finanziert wurde sie mit Mitteln der Europäischen Kommission für das "Flagship Graphene"-Projekt sowie dem ERC Starting Grant für Prof. Christoph Stampfer der RWTH Aachen.

"Wundermaterial" Graphen

Graphen besteht aus einer Atomlage, ist sehr flexibel und gleichzeitig mechanisch extrem stabil. Optisch transparent leitet es elektrischen Strom besser als jedes andere Material. Die Kombination dieser Eigenschaften ist einzigartig. Unter Einsatz des "Wundermaterials" Graphen könnten technologische Durchbrüche beispielsweise für Touch-Screens und in der flexiblen Optoelektronik erreicht werden. Aber auch für medizinische Anwendungen ist Graphen zunehmend interessant, zum Beispiel als Material für Neuro-Implantate, da es zudem biologisch gut verträglich und sehr leicht ist.

Qualität oder Masse

Bislang war die Herstellung von Graphen problematisch: Die britisch-russischen Wissenschaftler Andre Geim und Konstantin Novoselov nutzten im Jahr 2004 in einem unkonventionellen Experiment Tesafilm, um eine einzige Lage Graphen von einem Stück natürlichen Graphit zu trennen. Die "Tesafilm-Methode" ist allerdings für eine Massenproduktion vollkommen ungeeignet.

Als kostengünstige und skalierbare Alternative galt die Synthese von Graphen aus einfachen und reichlich vorhandenen chemischen Verbindungen wie Methan, mittels chemischer Gasphasenabscheidung (chemical vapor deposition, CVD): Die natürliche Reaktion zwischen Methan und einer geheizten Kupfer-Oberfläche wird genutzt, um große und makellose Graphen-Flocken herzustellen. Der einzige Nachteil: Das auf diese Weise synthetisierte Graphen war lange Zeit vor allem im elektrischen Bereich von erheblich geringerer Qualität als natürliches, über die "Tesafilm-Methode" hergestelltes Graphen.

Neue Methode ermöglicht beides

Einem Team von Wissenschaftlern der RWTH Aachen und des Forschungszentrums Jülich haben im Rahmen der Jülich Aachen Research Alliance (JARA) unter Leitung von Prof. Christoph Stampfer die CVD-Methode nun so variiert, dass synthetisches Graphen von ultra-hoher Qualität gewonnen werden kann. Der 23-jährige RWTH-Physikstudent Luca Banszerus und seine Kollegen zeigen, dass zwischen dem "Tesafilm-Graphen" und den chemisch synthetisierten Flocken zunächst kein Qualitätsunterschied besteht. Vielmehr ist der Transfer des Graphens vom Kupfer auf ein anderes Substrat der kritische Schritt. Bisher wurde Graphen mit einer nass-chemischen Methode transferiert, die das Graphen verunreinigt und aufwellt. Die von Banszerus und Kollegen entwickelte Methode erlaubt erstmals einen trockenen Transfer, der die hohe Qualität des chemisch gewachsenen Graphens beibehält. Zusätzlich kann das Kupfer für die Synthese von Graphen wieder verwendet werden, was Geld und Ressourcen in der Herstellung von Graphen spart.

Luca Banszerus erhielt bereits mehrere Preise und Auszeichnungen. Bereits 2010 gewann er im Wettbewerb "Jugend forscht", wobei er mit einem Partner an dem Thema Graphen arbeitete.

Gruppenbild vor CVD-OfenVon links: Luca Banszerus, Professor Christoph Stampfer, Michael Schmitz und Stephan Engels vor dem CVD-Ofen zum Wachsen von Graphen.
Copyright: Peter Winandy / RWTH

Publikation:

Luca Banszerus, Michael Schmitz, Stephan Engels, Jan Dauber, Martin Oellers, Federica Haupt, Kenji Watanabe, Takashi Taniguchi, Bernd Beschoten and Christoph Stampfer
"Ultrahigh-mobility graphene devices from chemical vapor deposition on reusable copper"
Science Advances 1, e1500222 (2015)
http://advances.sciencemag.org/content/1/6/e1500222

Weitere Informationen:

Pressemitteilung der RWTH
Pressemitteilung von JARA


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