Stabilere Graphenfilme aus der Gasphase

Displays, Sensoren, Schaltkreise, Fasern – weit gestreut sind die Prognosen für Anwendungen des Werkstoffs Graphen, der erst vor knapp zehn Jahren entdeckt wurde. Doch vor einem Einsatz im industriellen Maßstab steht die Entwicklung einer günstigen Produktion für Graphenfilme hoher Qualität und Festigkeit. Auf diesem Weg gelang es nun einer Arbeitsgruppe an der Columbia University in New York, das für eine Massenfertigung taugliche Verfahren der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) zu verfeinern. In ersten Testläufen schufen sie Graphenfilme, die in ihrer Stabilität den von Grafitblöcken abgeschälten Schichten kaum nachstanden.

James Hone und seine Kollegen vom Department of Mechanical Engineering schieden nach einer etablierten CVD-Methode Graphenfilme aus einer heißen Methan-Wasserstoffatmosphäre auf einer Folie aus Kupfer ab. Je nach Versuchsbedingungen entstanden zweidimensionale Schichten mit einer Verteilung entweder vorwiegend kleiner (1 – 5 Mikrometer) oder größerer (50 – 200 Mikrometer) kristalliner Bereiche. Entsprechend variierte auch der Verlauf der Korngrenzen zwischen diesen Kristallinseln.

Für die Isolierung dieser Graphenfilme wichen die Forscher jedoch vom herkömmlichen Weg ab. So wählten sie Kunststoffstempel aus Polydimethylsiloxan, um diese auf die Graphenfilme vorsichtig aufzudrücken. Danach entfernten sie das nun überflüssige Kupfer mit einer Lösung aus Ammoniumpersulfat statt mit einer bislang verwendeten Eisenchlorid-Lösung. Am Kunststoffstempel haftend konnten sie das Graphen nun für die folgenden Stabilitätsversuche auf einem mit zahlreichen Löchern versehenen Substrat aus Siliziumdioxid platzieren.

Mit winzigen, an den Spitzen eines Atomkraftmikroskops befestigten Nanobolzen überprüften Hone und Kollegen nun die Stabilität ihrer Graphenfilme. Eingedrückt in die Löcher des Siliziumdioxid-Trägers, wirkten ausreichend große Kräfte, um das Material an seine Festigkeitsgrenzen zu bringen. Für die elastische Steifigkeit erzielten sie Werte von bis zu 328 Newton pro Meter. Zum Vergleich: von Grafit abgeschältes Graphen hoher Qualität erreicht etwa 340 Newton pro Meter. Um die Graphenfilme zu zerreißen, mussten sie Kräfte von 3370 Nanonewton aufbringen. Das ist kaum weniger als für komplett makelloses Graphen, das erst bei 3410 Nanonewton zerstört wird.

So belegten diese Versuche, dass das aufgedampfte Graphen fast an die Festigkeit von mühsam abgeschälten Filmen heranreichte. Selbst kleine Mängel in der Struktur – etwa entlang der Korngrenzen der kristallinen Inseln - verringerten die Festigkeit kaum. Unter dem Elektronenmikroskop betrachtet zeigte sich, dass vor allem Graphenfilme mit direkt aneinander stoßenden kristallinen Inseln eine hohe Festigkeit erreichten. Korngrenzen mit Überlappungen dagegen verringerten die Stabilität deutlich.

Bisher entstanden mit diesem verfeinerten Produktionsverfahren allerdings nur kleine Graphenstückchen. Doch lassen sich CVD-Verfahren relativ leicht skalieren und an größere Anlagen anpassen. Gelingt dieser Schritt zur Fertigung großflächiger Graphenfilme, könnte schon bald flexibles, durchsichtiges und zugleich hochfestes Graphen für den Einsatz in Displays und Sensoren zur Verfügung stehen.

Jan Oliver Löfken

PH