Varje atomskikt tunt, rivsäker, och stabil. Grafen ses som framtidens material. Den är idealisk för t.ex. producerar ultralätt elektronik eller mycket stabila mekaniska komponenter. Men de skivtunna kolskikten är svåra att producera. Vid tekniska universitetet i München (TUM), Jürgen Kraus har tillverkat självbärande grafenmembran, och undersökte och optimerade samtidigt tillväxten av grafenkristallerna. Han tilldelades Evonik Research Prize för sitt arbete.

Graphene slår alla rekord. Det är det tunnaste och mest stabila materialet i världen, ultralätt, rivsäker, elektriskt ledande, och mycket motståndskraftig. Sedan det upptäcktes 2004, de tvådimensionella strukturerna som består av kolatomer har drivit fantasin och uppfinningsrikedom. Science fiction -författare anser att materialet är lämpligt för att bygga kablar för att driva rymdhissar. Materialforskare experimenterar med grafendisplayer, transistorer, och elektroder, som påstår sig göra framtidens elektronik lättare, stabilare, och längre livslängd. I det vetenskapliga samfundet, filmer av mycket ren grafen är mycket eftertraktade, eftersom de tillåter gaser och vätskor att förpackas på ett extremt tätt sätt.

"För närvarande, dock, de grundläggande kraven saknas fortfarande. Det finns olika tillverkningsprocesser som är lämpliga för massproduktion av grafen. Dock, detta material är inte felfritt. Grafen av högsta kristallina kvalitet kan inte reproducerbart tillverkas på detta sätt ", förklarar Sebastian Günther, Professor för fysikalisk kemi vid TUM. Hans team har nu lyckats analysera, övervakning, och optimering av tillväxten av grafenkristaller genom kemisk ångavsättning (CVD för kort). Resultaten publicerades nyligen i Annalen der Physik ( Annals of Physics ).

Teori och varningar i praktiken

Teoretiskt sett det är mycket enkelt att producera grafen:Allt som behövs är ett uppvärmt glaskärl, en reaktor, i vilken kolhaltig gas som metan matas in i, samt koppar som katalysator. Vid temperaturer på cirka 1, 000 grader Celsius, metanet sönderfaller på kopparytan för att producera väte och kol. Medan vätet därefter lämnar kopparytan, kolatomerna samlas på ytan av kopparfilmen som används under denna kemiska nederbörd från gasformiga tillståndet - en process som kallas kemisk ångavsättning. Här, atomerna tvärbinder och bildar grafen "flingor", fläckliknande tvådimensionella strukturer med den typiska bikakestrukturen. Det som återstår är vätet, som kan extraheras via sug.

Dock, i praktiken, djävulen är i detaljerna. "Det största problemet är att den tvådimensionella kristallstrukturen ofta inte är helt homogen, eftersom tillväxten börjar samtidigt på flera platser ", förklarar Jürgen Kraus, som utförde experimenten. "Vid första ögonkastet, det verkar som att en kontinuerlig grafenfilm visas på koppar, men de sexkantiga honungskakorna är inte alla orienterade på samma sätt, och strukturen försvagas på platser där de möts. "

Sådana defekter kan undvikas genom att se till att kopparens yta är så fri från kristallisationskärnor som möjligt.

Med sina experiment, kemisten kunde visa att föroreningar bäst kunde avlägsnas med hjälp av syrgas - dvs. genom oxidation. Dock, för att undvika oönskade biverkningar, försiktighet måste iakttas för att säkerställa att kopparkatalysatorn endast utsätts för minsta möjliga mängd syre.

Avgörande för framgång:Gaskoncentration och temperatur

I den andra delen av hans experiment, Kraus analyserade hur olika partialtryck och temperaturer påverkar bildandet av grafen under kemisk ångavsättning. Om den gassammansättning som används innehåller för mycket väte, ingen grafen växer alls; om det har för lite väte, lagren blir för tjocka. Det är först när alla parametrar väljs så att tillväxt sker "tillräckligt nära" termisk jämvikt som mycket ren grafen utan defekter bildas i ett kristallgitter.

Kvalitetskontroll i Italien

För att kontrollera flingornas kvalitet, de Münchenbaserade forskarna tog en resa till Italien med sina prover. På forskningscentret Elettra Sincrotrone Trieste, som är utrustad med en ringformad partikelaccelerator, de kunde kemiskt och strukturellt karakterisera grafenlagren med ett speciellt mikroskop, som hade en hög upplösning tack vare den högenergiska synkrotronstrålningen.

"Resultaten av förstudien var mycket uppmuntrande", rapporterar Günther. "Bilderna har visat att reproducerbara resultat kan uppnås genom att välja parametrar under kemisk ångavsättning"

TUM -forskarnas bästa rekord för kvalitet hittills:Graphen -flingor som mäter en kvadratmillimeter som innehåller tio miljarder exakt inriktade kolatomer. "Fördelen jämfört med andra studier är inte så mycket" rekordstorleken "som uppnås, men ligger i det faktum att flingorna bildas med en förutsägbar tillväxttakt om rätt CVD -parametrar väljs, därigenom tillåts stängd, högkristallina grafenlager med en tjocklek av bara en atom som ska tillverkas inom bara några timmar ", sammanfattar Günther.

Minifilmer för nya applikationer

Graphene öppnar ett brett utbud av nya applikationer, framför allt inom grundforskning:För det första, de ultratunna grafenfilmerna kan t.ex. avlägsnas från kopparsubstratet och användas som täckfilmer. Sådana filmer är lämpliga för att fånga vätskor i en behållare. Eftersom filmerna är transparenta för långsamma elektroner, proverna kan studeras via elektronspektroskopi och mikroskopi, även om dessa tekniker vanligtvis används i ultrahöga dammsugare eller högdammsugare.

Med hjälp av filmerna, forskarna tänker också undersöka levande celler, vätsketäckta elektroder och katalysatorer under högt tryck via fotoelektronspektroskopi i framtiden. I denna process, fotoner, som kan tränga in i filmen, överföra sin energi till elektronerna i provet, så att de släpps och passerar genom filmen till utsidan. Deras energinivåer kan sedan användas för att dra slutsatser om provets kemiska sammansättning.