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Durchbruch in der Herstellung von hochwertigen synthetischen Graphen

Durchbruch in der Herstellung von hochwertigen synthetischen Graphen

Tesafilm-Methode überholt: Wissenschaftlern der RWTH Aachen und des PGI-9 am Forschungszentrums Jülich ist ein Durchbruch in der Produktion von qualitativ hochwertigem synthetischen Graphen gelungen.

Was vor über 10 Jahren als unkonventionelles Experiment von Andre Geim und Konstantin Novoselov begann – sie nutzten Tesafilm, um eine einzige Lage Graphen von einem Stück natürlichen Graphits zu trennen – hat sich zu einem weltweiten Forschungsgebiet mit Investitionen in Milliardenhöhe entwickelt. Graphen wird aufgrund seiner einzigartigen Eigenschaften auch als "Wundermaterial" bezeichnet. Es besteht aus einer einzigen Atomlage und ist daher sehr flexibel, gleichzeitig aber mechanisch extrem stabil. Graphen ist optisch transparent und leitet elektrischen Strom besser als jedes andere Material. Die Kombination dieser Eigenschaften ist einzigartig und so können unter Einsatz von Graphen technologische Durchbrüche erreicht werden: Graphen hat enormes Potential für zukünftige Touch-Screens, sowie Anwendungen im Bereich der Ultrahochfrequenz-Elektronik und der flexiblen Optoelektronik.
Eine der derzeit größten Einschränkung im Hinblick auf die industrielle Anwendung von Graphen ist seine Herstellung: Die "Tesafilm-Methode" ist lediglich für den Forschungsbetrieb anwendbar, für eine Massenproduktion aber vollkommen ungeeignet. Als Alternative galt die Synthese von Graphen aus einfachen und im Überfluss vorhandenen chemischen Verbindungen wie Methan, mittels chemischer Gasphasenabscheidung, engl. chemical vapor deposition (CVD): die natürliche Reaktion zwischen Methan und einer geheizten Kupfer-Oberfläche wird genutzt, um große und makellose Graphen-Flocken herzustellen.
Die CVD-Methode ist zwar skalierbar und kostengünstig. Aber das auf diese Weise synthetisierte Graphen, war lange Zeit vor allem im elektrischen Bereich von signifikant geringerer Qualität als natürliches, über die “Tesafilm-Methode” hergestelltes Graphen. Dies ändert sich nun grundlegend! Luca Banszerus und Kollegen, zeigen eine neuartige auf dem CVD-Verfahren basierende Herstellungsmethode, womit synthetisches Graphen von ultra-hoher Qualität gewonnen werden kann. Dieser Prozess eignet sich auch für die industrielle Herstellung und bildet einen bedeutenden Fortschritt im Bestreben, die Lücke zwischen wissenschaftlicher Forschung und technologischer Anwendung von Graphen zu schließen.
Unter dem Titel „Ultrahigh-mobility graphene devices from chemical vapor deposition on reusable copper” ist die Forschungsarbeit in Science Advances [1] publiziert. Durchgeführt wurde die Arbeit in Christoph Stampfers Labor im Rahmen der „Jülich Aachen Research Alliance (JARA)“ mit finanzieller Unterstützung aus dem „Flagship Graphene“-Projekt der Europäischen Kommission und dem ERC.
Die wegweisende Arbeit wurde auch als Research Highlight in Nature [2] hervorgehoben.

[1] L. Banszerus et al., Ultrahigh-mobility graphene devices from chemical vapor deposition on reusable copper, Science Advances 1, e1500222 (2015).
DOI: 10.1126/sciadv.1500222
[2] Scaling up pure graphene growth, Nature 524, 9 (2015).
DOI: 10.1038/524009d

Durchbruch in der Herstellung von hochwertigen synthetischen Graphen(v.l.) Luca Banszerus, Professor Christoph Stampfer, Michael Schmitz und Stephan Engels vor dem CVD-Ofen zum Wachsen von Graphen. (Copyright: Peter Winandy).


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