Chalmers University

Hochleitfähiges Graphen kostengünstig herstellen

18. März 2022, 14:00 Uhr | Ralf Higgelke
Chalmers University, Munis Khan
Munis Khan, Doktorand an der Fakultät für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften der Chalmers University of Technology
© Chalmers University

Graphen mit einer hohen Ladungsträgermobilität herzustellen, ist komplex und daher teuer. Nun berichten Forscher der Chalmers University of Technology über eine überraschend hohe Ladungsträgermobilität bei Graphen, das mit einem kostengünstigen und einfachen Verfahren gefertigt wurde.

»Die hohe Elektronenmobilität in Graphen deutet auf ein großes Potenzial für die Breitbandkommunikation und Hochgeschwindigkeitselektronik hin, die mit Schaltfrequenzen im Terahertzbereich betrieben werden könnten«, erklärte Munis Khan, Doktorand an der Fakultät für Mikrotechnologie und Nanowissenschaften der Chalmers University of Technology. »Darüber hinaus machen die anderen Materialeigenschaften wie die hohe chemische Stabilität, die ausgezeichnete Transparenz und die elektrische Empfindlichkeit gegenüber biochemischen Stoffen das Material zu einem vielversprechenden Werkstoff für Displays, Light Harvesting Devices und Biosensoren.«

Allerdings wird diese hohe Ladungsträgermobilität entweder bei mechanisch abgeschiedenem Graphen beobachtet, einem Verfahren, das sich nicht industriell skalieren lässt, oder bei Graphen-Bauelementen, die auf hexagonalem Bornitrid hergestellt werden. Ähnlich hohe Mobilitäten wurden auch bei der Übertragung von Graphen aus der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) auf komplexe Oxid-Heterostrukturen beobachtet. Allerdings erfordern all diese Techniken komplexe und teure Fertigungsverfahren, was das Graphen nicht nur teurer macht, sondern auch die Massenproduktion solcher Bauelemente erschwert.

Die Lagerung macht den Unterschied

University of Technology, Graphene
Mit diesem Prozess haben Forscher der Chalmers University of Technology auf kostengünstige Weise Graphen abgeschieden, das eine hohe Ladungsträgermobilität aufweist.
© Chalmers University

Nun berichten Munis Khan und seine Kolleginnen und Kollegen über eine überraschend hohe Ladungsträgermobilität von CVD-Graphen, das auf unpolierter Kupferfolie gezüchtet und mit einem gewöhnlichen Bürolaminierer und Nass-Ätzen von Kupfer auf EVA/PET-Laminierfolie übertragen wurde. Zwar weist das CVD-Graphen, das durch Heißpresslaminierung von Kupfer auf einen gewöhnlichen Laminierbeutel übertragen wurde, zunächst eine geringe Ladungsträgerbeweglichkeit in einem Bereich von 500 bis 1000 cm²/(Vs) auf. Wurden solche Filme jedoch mehrere Stunden lang bei +60 °C in einer Stickstoffatmosphäre gelagert, stieg die Mobilität um das Achtfache und erreichte bei Raumtemperatur 6000 bis 8000 cm²/(Vs).

»Diese Entdeckung zeigt, dass selbst preiswerte und flexible Graphen-Bauelemente eine hohe Ladungsträgerbeweglichkeit aufweisen können«, erläutert Munis Khan. »Wir schlagen eine einfache Methode vor, um preiswerte Graphen-Bauelemente auf flexiblen Substraten mit hoher Ladungsträgermobilität herzustellen, die wahrscheinlich nur durch den CVD-Prozess und die Reinheit des Kupfers begrenzt ist.«

Durch CVD auf EVA/PET übertragenes Graphen wird intensiv für flexible und dehnbare Elektronik erforscht und erforscht. Dies gilt insbesondere für sich der Form anpassende Systeme wie tragbare Energy-Harvesting-Bauelemente, elektronische Haut und tragbare elektronische Geräte, die sehr flexibel und dehnbar sein müssen. Herkömmlichen Halbleitern fehlen die besonderen mechanischen Eigenschaften von Graphen, sodass sie für solche Anwendungen ungeeignet sind; oft werden extrem leitfähige, flexible Graphenschichten mit hoher Ladungsträgermobilität benötigt.

»Unsere Beobachtung könnte den Anwendungsbereich solcher flexiblen Graphenfolien in diesem Bereich tatsächlich erweitern«, meint Munis Khan. »Auch könnte dies die neue Ära der flexiblen Elektronik einläuten. Anwendungen, die extrem leitfähige dünne Schichten erfordern, können nun mit einer kostengünstigen und einfachen Methode realisiert werden. Die Herausforderung besteht darin, die Mikrofertigungsverfahren zu integrieren, um Bauelemente auf flexiblen Substraten herzustellen. Sind diese Herausforderungen erst einmal gemeistert, können wir wahrscheinlich in zwei bis drei Jahren damit beginnen, solche Graphenfilme für die Fertigung von Bauelementen im industriellen Maßstab zu nutzen.«

Originalpublikation

M. Khan, et al., High Mobility Graphene on EVA/PET, Nanomaterials 2022, 12(3), 331; https://doi.org/10.3390/nano12030331 (Abgerufen am 18.03.2022)


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