Graphen per Fingerabdruck
Liquid Precursor Deposition erweist sich als robust und kann auch Substrate nutzen, die der klassischen CVD-Methode bislang nicht zugänglich sind.
Mit dem verschwitzten Finger auf die Probe tippen – was jeden sorgfältig arbeitenden Naturwissenschaftler normalerweise schaudern lässt, war diesmal Teil des Experiments: Wie Saarbrücker Physiker zusammen mit ihren Augsburger Kollegen in einem eher ungewöhnlichen Experiment aufzeigen, ist die von ihnen 2009 entwickelte Methode zur Graphen-Herstellung ein äußerst robustes Verfahren. Diese Erkenntnis ist besonders im Hinblick auf eine zukünftige industrielle Produktion von Graphen von Bedeutung und könnte Graphen der Marktreife, beispielsweise für Anwendungen in der Informationstechnologie, ein Stück näher bringen.
Abb.: Der Zerfall eines molekularen Precursors führt zur Bildung einer monoatomaren Kohlenstoffschicht auf dem Metallsubstrat. (Bild: UdS)
Elektronische Bauteile von Computern basieren derzeit noch auf Silizium-Technologie, doch für die kommenden Jahrzehnte wird erwartet, dass eine spezielle Form des Kohlenstoffs die Nanoelektronik revolutionieren wird: Graphen. Bestehend aus einer einzelnen Lage von Kohlenstoff-Atomen, die sich zu einem honigwabenartigen Gitter anordnen, ist Graphen auch als winzigstes Bauteil extrem stabil. Baut man daraus einen Transistor, so arbeitet dieser tausendmal schneller als Silizium. Zudem sind Kohlenstoffe in fast allen organischen Substanzen enthalten und damit universell verfügbar.
Das Standardverfahren zur Graphen-Herstellung ist die Chemische Gasphasenabscheidung CVD, Chemical Vapor Deposition. Bei dieser komplexen und somit kostenintensiven Technologie wird im Vakuum ein Kohlenwasserstoff-Gas auf einer hauchdünnen Metallfolie abgeschieden. Anschließend wird das daraus entstandene Graphen vom Trägermaterial gelöst und auf ein anderes Substrat übertragen – vorzugsweise auf einen Isolator für die elektronische Anwendung. Damit dieser Transferprozess das Graphen-Gitter nicht beschädigt, sind Trägermaterialien von Interesse, die die Kohlenstoff-Monolage nur schwach auf ihrer Oberfläche binden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass dadurch der Abscheideprozess des Kohlenstoffs auf der Metallfolie erschwert wird.
Physiker der Universität des Saarlandes hatten daher gemeinsam mit Forschern aus Notthingham und Augsburg bereits 2009 ein alternatives Verfahren zur Graphen-Gewinnung entwickelt, das auf der Abscheidung flüssiger Kohlenstoffverbindungen beruht, die Liquid Precursor Deposition LPD. „Bei der LPD wird eine synthetische Kohlenstoffverbindung in flüssiger Form mithilfe einer Spritze so auf das Trägermaterial aufgetragen, dass sie einen geschlossenen Flüssigkeitsfilm bildet“, erklärt Frank Müller. Nach der Überführung in ein Vakuum verdampfen die Ausgangsstoffe, die Vorläufermoleküle oder Precursoren – bis auf eine einzige Lage von Molekülen. Durch Temperaturerhöhung zersetzen sie sich schrittweise, bis letztlich nur noch Kohlenstoff zurückbleibt, der sich zu dem wabenartigen Graphen-Gitter vernetzt.
„Bei diesem Verfahren können die Substrate genügend Kohlenstoff für das Graphenwachstum aus der flüssigen Phase aufnehmen, selbst dann, wenn sie das Graphen nur schwach an sich binden“, erläutert Müller. Ein Vorteil der neuen Methode ist darin zu sehen, dass sie auch auf Metalloberflächen funktioniert, die über das klassische CVD Verfahren bislang nicht zugänglich waren, beispielsweise Silber. Daher lasse sich das Graphen-Gitter ohne Beschädigung ablösen: Graphen und Trägermaterial haften aneinander wie zwei nasse Blätter Papier: Man kann eines leicht wegnehmen, ohne das andere zu zerstören.
Um nachzuweisen, dass die LPD-Synthese ein sehr robustes Verfahren ist, das auch unter denkbar ungünstigsten Voraussetzungen funktioniert, wagten die Saarbrücker Wissenschaftler nun ein besonderes Experiment: Anstatt eine synthetische Kohlenstoffverbindung mit der Spritze aufzutragen, tippten sie einmal mit der verschwitzen Fingerspitze auf das Trägermaterial. „Ein Fingerabdruck auf der Probe ist eigentlich ein Tabu in der Oberflächenanalytik“, erläutert Müller. Schweiß bestehe aus einem unkontrollierten Gemisch zahlreicher komplexer Kohlenstoffverbindungen, unter anderem Fettsäuren und Salze. Trotz dieser ungünstigen Versuchsbedingungen stellten die Wissenschaftler fest: „Die Flüssigkeit des Fingerabdrucks funktioniert bei der LPD-Synthese ebenso gut wie ein synthetischer Precursor“, sagt Frank Müller, „mit unserem Fingerabdrucksexperiment haben wir diese Methode bis an ihre Grenzen ausgereizt und konnten zeigen, dass sie auch dann funktioniert.“
Die wichtigste Schlussfolgerung: Mit dem LPD-Verfahren lassen sich auch Substrate nutzen, die mit der klassischen CVD-Methode bislang nicht zugänglich sind. Dies eröffnet neue Möglichkeiten für den Transfer von Graphen auf andere Trägermaterialien – ein Aspekt, der aktuell im Rahmen der EU-Forschungsinitiative Graphene Flagship eine zentrale Rolle einnimmt. „Im Hinblick auf unsere eigenen Studien wollen wir die derart präparierten Graphen-Lagen dazu nutzen, um speziell die Wechselwirkung mit Biomaterialien zu untersuchen, beispielsweise mit Proteinen oder Bakterien“, sagt Karin Jacobs, Leiterin des Saarbrücker Lehrstuhls für Experimentalphysik.
UdS / OD
