Ultraschnelles Graphen-Wachstum

Wer die herausragenden Eigenschaften von Graphen für elektronische Anwendungen oder gar Displays nutzen möchte, benötigt möglichst große, mono­kristalline und defekt­freie Graphen­filme. Die einfachste Methode – das Abschälen von einem Graphit­block mit einem Klebefilm – ist dazu nicht geeignet. Die Abscheidung aus einer heißen Methan­atmosphäre liefert die gewünschte Qualität, ist mit Wachstums­raten von bis zu einem Mikro­meter pro Sekunde aber noch recht langsam und teuer. Doch nun gelang es chinesischen Wissenschaftlern, dieses Produktions­verfahren drastisch auf Wachstums­raten von bis zu 60 Mikrometer pro Sekunde zu beschleunigen.

„Unser neues Verfahren erlaubt die Synthese von großen mono­kristallinen Graphen­filmen in sehr kurzer Zeit und wird definitiv den Weg zu industriellen Anwendungen ebnen“, sagt Kaihui Liu vom State Key Laboratory for Mesoscopic Physics der Peking University. Zusammen mit seinen Kollegen optimierte er das verfügbare chemische Gasphasenabscheidungsverfahren (chemical vapour deposition, CVD) unter besonderer Beachtung einer kontinuierlichen Bereitstellung von Sauer­stoff. Denn wie schon frühere Studien gezeigt haben, spielt Sauerstoff eine wesentliche, aber noch nicht völlig verstandene Rolle bei der Graphen­synthese. So begünstigt Sauerstoff die Dissoziation von Methan­molekülen und verhindert offenbar eine Zusammen­ballung von Kohlenstoff­atomen zu mehratomigen Lagen.

Liu und Kollegen wählten für die Abscheidung von Graphen­filmen eine dünne Kupferfolie, an der sich zusätzlich Sauerstoff­atome ablagerten. Um geringe Sauerstoff­mengen während des Wachstums des mono­kristllinen Graphen­films kontinuierlich zuzuführen, platzierten sie in einem Abstand von 15 Mikro­metern ein Substrat aus Silizium­dioxid. Vorversuche hatten gezeigt, dass die Quarz­schicht unter den Wachstums­bedingungen mit Temperaturen über 800 Grad Celsius langsam Sauerstoff freisetzte.

In die Synthesekammer ließen die Forscher darauf ein Gasgemisch aus Methan und Wasser­stoff mit einer Rate von fünf Kubik­zentimetern pro Minuten einströmen. Auf der dem Quarz­substrat zugewandten Seite der Kupfer­folie bildeten sich extrem schnell innerhalb von fünf Sekunden relativ große, monokristalline Graphen­filme mit einem Durchmesser von etwa 300 Mikrometern. Auf der abgewandten Seite dagegen entstanden in der gleichen Zeit deutlich kleinere und stern­förmige Graphen­filme mit Durchmessern von nur 15 Mikrometern. Diesen Unterschied erklärten die Forscher mit der geringen, aber stetigen Sauerstoff­zufuhr aus dem Quarz­substrat.

Nach der Abscheidung kontrollierte Liu die Qualität der Graphen­filme mit mehreren Methoden. Den monokristallinen Aufbau konnte er mit LEED-Analysen (low-energy electron diffraction) belegen. Weitere Messungen mit einem Raster­tunnel­mikroskop und die Aufnahme von Raman-Spektren bestätigten die Ergebnisse dieser Qualitäts­kontrolle. Größe und die gleichmäßige Struktur der Graphenfilme bewies Liu zusätzlich mit Detail­aufnahmen eines Trans­missions­elektronen­mikroskops .

Mit diesem optimierten CVD-Verfahren konnten sie die Wachstumsrate von mono­kristallinen Graphenfilmen mit Durch­messern fast im Millimeter-Bereich um zwei Größen­ordnungen im Vergleich zu früheren Versuchen steigern. Noch größere Graphenfilme im Zentimeter-Bereich halten die Forscher mit skalierten CVD-Anlagen für möglich. Sollte dieser Schritt gelingen, könnten bereits in wenigen Jahren qualitativ hochwertige Graphenfilme relativ günstig und in großen Mengen für industrielle Anwendungen produziert werden.

Jan Oliver Löfken

DE