29. März 2024 (Nanowerk-Scheinwerfer) Graphene, eine einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, die in einem zweidimensionalen Wabengitter angeordnet sind, fasziniert Forscher seit seiner Entdeckung aufgrund seiner außergewöhnlichen Eigenschaften. Der Weg zur Ausschöpfung des vollen Potenzials von Graphen wurde jedoch durch die Herausforderungen behindert, die mit der kostengünstigen und skalierbaren Herstellung großer, hochwertiger Graphenfilme verbunden sind. Über das letzte Jahrzehnt, chemische Gasphasenabscheidung (CVD) hat sich als primäre Methode zum Züchten hochwertiger, kontinuierlicher Graphenfilme herausgestellt. Trotz bemerkenswerter Fortschritte, wie der Synthese fußlanger einkristalliner Graphenfilme und der Herstellung von 4-Zoll-einkristallinen Graphenwafern in nur 10 Minuten, stößt das CVD-Verfahren aufgrund der Komplexität immer noch auf Einschränkungen hinsichtlich Effizienz und Gleichmäßigkeit Synthesebedingungen erforderlich. Das Züchten großflächiger, gleichmäßiger Graphenfilme bleibt eine große Herausforderung, insbesondere wenn es darum geht, den Anforderungen einer Produktion im industriellen Maßstab gerecht zu werden. In einem kürzlichen Durchbruch hat ein Forscherteam des CAS Key Laboratory for Biomedical Effects of Nanomaterials and Nanosafety am National Center for Nanoscience and Technology in Peking, China, eine neuartige Methode zum Züchten von Graphen entwickelt, die viele der damit verbundenen Einschränkungen überwindet traditionelle CVD-Techniken. Ihre Abschreckmethode mit elektromagnetischer Rasterinduktion (SEMI) ermöglicht die ultraschnelle Synthese von großformatigem, gleichmäßigem Graphenglas unter freiem Himmel, ohne dass eine Vakuumkammer oder ein Katalysator erforderlich ist. Die Forschung wurde veröffentlicht in Fortgeschrittene Funktionsmaterialien („Hocheffizientes Wachstum von großformatigem, gleichmäßigem Graphenglas in Luft durch scannende elektromagnetische Induktionslöschmethode“).
Einführung der SEMI-Methode und des damit hergestellten großformatigen, gleichmäßigen Graphenglases.a) Die Illustration des selbstgebauten experimentellen Systems; b) Schematische Darstellung des Graphenbildungsmechanismus durch die SEMI-Methode; c) Ein Foto eines 400 mm × 400 mm großen Graphenglases; d) Die repräsentativen Raman-Spektren, die in verschiedenen Bereichen des Graphenfilms gesammelt wurden; e) Hochauflösendes TEM-Bild (HR-TEM) des Graphenfilms, übertragen auf ein Cu-Gitter; f) Verteilung des Oberflächenwiderstandswerts auf einer Fläche von 60 mm × 50 mm (gesammelt aus 100 Punkten); g,h) Konfokale SEM-Raman-Ergebnisse; g) SEM-Bild, und der Einschub ist das HR-SEM-Bild; h) Raman-Kartierung der G-Peak-Intensität; i) Ein Foto eines Graphenmusters; j) Ein Foto einer Graphen-Glasfasertextur; k) SEM-Bild der Graphen-Glasfasertextur, und der Einschub ist das SEM-Bild der Oberfläche einer Faser, die mit kontinuierlichen Filmen beschichtet ist. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Bei der SEMI-Methode wird mithilfe eines elektromagnetischen Induktionsinstruments eine Graphitplatte schnell erhitzt, die in engem Kontakt mit einem Glassubstrat steht, das mit einer dünnen Schicht Polydopamin (PDA) beschichtet ist. Während sich die Induktionsspule über das Substrat bewegt, wird das Glas augenblicklich erhitzt und entlang des Spulenpfads bildet sich auf der Oberfläche ein kontinuierlicher Graphenfilm. Dieser Ansatz ermöglicht das Wachstum von Graphenfilmen ohne die durch eine Vakuumkammer auferlegten Größenbeschränkungen, wodurch er wesentlich skalierbarer ist als CVD. Mit der SEMI-Methode stellten die Forscher in nur 400 Minuten ein 400 mm × 2 mm großes Graphenglas her, eine deutliche Verbesserung gegenüber CVD-Techniken. Das resultierende Graphenglas zeigte eine hervorragende Gleichmäßigkeit, Filmhaftung und vollständige Abdeckung mit einem Oberflächenwiderstand von weniger als 500 Ω²-1, weitaus niedriger als die von Graphen, das mit anderen Methoden hergestellt wird. Darüber hinaus zeigte das Graphenglas eine hervorragende thermische Stabilität und behielt eine stabile Leistung bei Temperaturen von bis zu 1000 °C bei und übertraf damit die Stabilität anderer transparenter leitfähiger Materialien wie Indiumzinnoxid (ITO) und Platinfilme. Die SEMI-Methode bietet mehrere entscheidende Vorteile gegenüber CVD, darunter die Möglichkeit, Graphen bei hohen Temperaturen unter freiem Himmel zu züchten, einen Scan-Ansatz, der eine gleichmäßige Erwärmung und Abkühlung gewährleistet, und Kompatibilität mit der Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung für flexible Substrate. Durch den Wegfall einer Vakuumkammer und eines Katalysators reduziert die SEMI-Methode die Produktionszeit und -kosten erheblich und ermöglicht gleichzeitig das Wachstum von Graphen auf Substraten praktisch jeder Größe. Die potenziellen Anwendungen von Graphenglas sind vielfältig und umfassen Branchen wie Elektronik, Energiespeicherung, Luft- und Raumfahrt und Medizin. In der Elektronik könnte Graphenglas die Herstellung von Touchscreens, flexiblen Displays und Solarzellen revolutionieren und im Vergleich zu aktuellen Materialien eine überlegene Transparenz, Leitfähigkeit und Haltbarkeit bieten. Im Energiesektor könnte Graphenglas die Entwicklung effizienterer und leichterer Batterien ermöglichen Superkondensatoren. Für Luft- und Raumfahrt- und Automobilanwendungen könnte Graphenglas zur Herstellung stärkerer, leichterer und thermisch stabilerer Komponenten führen. In der Medizin könnte Graphenglas zur Entwicklung fortschrittlicher Biosensoren, Arzneimittelabgabesysteme und sogar künstlicher Organe verwendet werden. Während die Forschung an der SEMI-Methode fortgesetzt wird, wird erwartet, dass weitere Optimierungen und eine Vergrößerung des Prozesses zu noch größeren Fortschritten bei der Herstellung von Graphenfilmen führen werden. Die erfolgreiche Demonstration dieser Technik auf verschiedenen Glassubstraten, einschließlich Quarz-, Glaskeramik- und Glasfasertexturen, unterstreicht ihre Vielseitigkeit und ihr Potenzial für die Integration in bestehende Herstellungsprozesse. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, das Potenzial der SEMI-Methode vollständig auszuschöpfen. Weitere Forschung ist erforderlich, um die Prozessparameter wie die Zusammensetzung der PDA-Schicht, die Temperatur und die Geschwindigkeit der Induktionsspule zu optimieren, um die bestmögliche Graphenqualität und -gleichmäßigkeit zu erreichen. Darüber hinaus ist die SEMI-Methode zwar hoch skalierbar, es bedarf jedoch noch weiterer Arbeit an der Entwicklung der Infrastruktur und Lieferketten, die für die Produktion in großem Maßstab erforderlich sind. Trotz dieser Herausforderungen stellt die Entwicklung der SEMI-Abschreckmethode einen bedeutenden Fortschritt bei der Herstellung großflächiger, hochwertiger Graphenfilme für industrielle Anwendungen dar. Durch die Ermöglichung des ultraschnellen Wachstums von einheitlichem Graphenglas unter freiem Himmel überwindet dieser innovative Ansatz die Einschränkungen herkömmlicher CVD-Methoden und ebnet den Weg für die kostengünstige Produktion von Geräten auf Graphenbasis in großem Maßstab. In den kommenden Jahren, in denen Forscher diese bahnbrechende Technik weiter verfeinern und optimieren, können wir mit einer neuen Ära graphenbasierter Technologien rechnen, die die außergewöhnlichen Eigenschaften dieses Materials nutzen, um transformative Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen zu schaffen. Die SEMI-Methode bringt uns der Ausschöpfung des vollen Potenzials von Graphen einen Schritt näher.
Einführung der SEMI-Methode und des damit hergestellten großformatigen, gleichmäßigen Graphenglases.a) Die Illustration des selbstgebauten experimentellen Systems; b) Schematische Darstellung des Graphenbildungsmechanismus durch die SEMI-Methode; c) Ein Foto eines 400 mm × 400 mm großen Graphenglases; d) Die repräsentativen Raman-Spektren, die in verschiedenen Bereichen des Graphenfilms gesammelt wurden; e) Hochauflösendes TEM-Bild (HR-TEM) des Graphenfilms, übertragen auf ein Cu-Gitter; f) Verteilung des Oberflächenwiderstandswerts auf einer Fläche von 60 mm × 50 mm (gesammelt aus 100 Punkten); g,h) Konfokale SEM-Raman-Ergebnisse; g) SEM-Bild, und der Einschub ist das HR-SEM-Bild; h) Raman-Kartierung der G-Peak-Intensität; i) Ein Foto eines Graphenmusters; j) Ein Foto einer Graphen-Glasfasertextur; k) SEM-Bild der Graphen-Glasfasertextur, und der Einschub ist das SEM-Bild der Oberfläche einer Faser, die mit kontinuierlichen Filmen beschichtet ist. (Nachdruck mit Genehmigung des Wiley-VCH Verlags) Bei der SEMI-Methode wird mithilfe eines elektromagnetischen Induktionsinstruments eine Graphitplatte schnell erhitzt, die in engem Kontakt mit einem Glassubstrat steht, das mit einer dünnen Schicht Polydopamin (PDA) beschichtet ist. Während sich die Induktionsspule über das Substrat bewegt, wird das Glas augenblicklich erhitzt und entlang des Spulenpfads bildet sich auf der Oberfläche ein kontinuierlicher Graphenfilm. Dieser Ansatz ermöglicht das Wachstum von Graphenfilmen ohne die durch eine Vakuumkammer auferlegten Größenbeschränkungen, wodurch er wesentlich skalierbarer ist als CVD. Mit der SEMI-Methode stellten die Forscher in nur 400 Minuten ein 400 mm × 2 mm großes Graphenglas her, eine deutliche Verbesserung gegenüber CVD-Techniken. Das resultierende Graphenglas zeigte eine hervorragende Gleichmäßigkeit, Filmhaftung und vollständige Abdeckung mit einem Oberflächenwiderstand von weniger als 500 Ω²-1, weitaus niedriger als die von Graphen, das mit anderen Methoden hergestellt wird. Darüber hinaus zeigte das Graphenglas eine hervorragende thermische Stabilität und behielt eine stabile Leistung bei Temperaturen von bis zu 1000 °C bei und übertraf damit die Stabilität anderer transparenter leitfähiger Materialien wie Indiumzinnoxid (ITO) und Platinfilme. Die SEMI-Methode bietet mehrere entscheidende Vorteile gegenüber CVD, darunter die Möglichkeit, Graphen bei hohen Temperaturen unter freiem Himmel zu züchten, einen Scan-Ansatz, der eine gleichmäßige Erwärmung und Abkühlung gewährleistet, und Kompatibilität mit der Rolle-zu-Rolle-Verarbeitung für flexible Substrate. Durch den Wegfall einer Vakuumkammer und eines Katalysators reduziert die SEMI-Methode die Produktionszeit und -kosten erheblich und ermöglicht gleichzeitig das Wachstum von Graphen auf Substraten praktisch jeder Größe. Die potenziellen Anwendungen von Graphenglas sind vielfältig und umfassen Branchen wie Elektronik, Energiespeicherung, Luft- und Raumfahrt und Medizin. In der Elektronik könnte Graphenglas die Herstellung von Touchscreens, flexiblen Displays und Solarzellen revolutionieren und im Vergleich zu aktuellen Materialien eine überlegene Transparenz, Leitfähigkeit und Haltbarkeit bieten. Im Energiesektor könnte Graphenglas die Entwicklung effizienterer und leichterer Batterien ermöglichen Superkondensatoren. Für Luft- und Raumfahrt- und Automobilanwendungen könnte Graphenglas zur Herstellung stärkerer, leichterer und thermisch stabilerer Komponenten führen. In der Medizin könnte Graphenglas zur Entwicklung fortschrittlicher Biosensoren, Arzneimittelabgabesysteme und sogar künstlicher Organe verwendet werden. Während die Forschung an der SEMI-Methode fortgesetzt wird, wird erwartet, dass weitere Optimierungen und eine Vergrößerung des Prozesses zu noch größeren Fortschritten bei der Herstellung von Graphenfilmen führen werden. Die erfolgreiche Demonstration dieser Technik auf verschiedenen Glassubstraten, einschließlich Quarz-, Glaskeramik- und Glasfasertexturen, unterstreicht ihre Vielseitigkeit und ihr Potenzial für die Integration in bestehende Herstellungsprozesse. Es bleibt jedoch eine Herausforderung, das Potenzial der SEMI-Methode vollständig auszuschöpfen. Weitere Forschung ist erforderlich, um die Prozessparameter wie die Zusammensetzung der PDA-Schicht, die Temperatur und die Geschwindigkeit der Induktionsspule zu optimieren, um die bestmögliche Graphenqualität und -gleichmäßigkeit zu erreichen. Darüber hinaus ist die SEMI-Methode zwar hoch skalierbar, es bedarf jedoch noch weiterer Arbeit an der Entwicklung der Infrastruktur und Lieferketten, die für die Produktion in großem Maßstab erforderlich sind. Trotz dieser Herausforderungen stellt die Entwicklung der SEMI-Abschreckmethode einen bedeutenden Fortschritt bei der Herstellung großflächiger, hochwertiger Graphenfilme für industrielle Anwendungen dar. Durch die Ermöglichung des ultraschnellen Wachstums von einheitlichem Graphenglas unter freiem Himmel überwindet dieser innovative Ansatz die Einschränkungen herkömmlicher CVD-Methoden und ebnet den Weg für die kostengünstige Produktion von Geräten auf Graphenbasis in großem Maßstab. In den kommenden Jahren, in denen Forscher diese bahnbrechende Technik weiter verfeinern und optimieren, können wir mit einer neuen Ära graphenbasierter Technologien rechnen, die die außergewöhnlichen Eigenschaften dieses Materials nutzen, um transformative Anwendungen in einer Vielzahl von Branchen zu schaffen. Die SEMI-Methode bringt uns der Ausschöpfung des vollen Potenzials von Graphen einen Schritt näher.
– Michael ist Autor von drei Büchern der Royal Society of Chemistry:
Nano-Gesellschaft: Grenzen der Technologie überschreiten,
Nanotechnologie: Die Zukunft ist winzig und
Nanoengineering: Die Fähigkeiten und Werkzeuge, die Technologie unsichtbar machen
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