Stabiles Graphen aus heißem Methandampf

Hauchdünne Schichten aus Kohlenstoff – Graphen genannt – zählen zu den stabilsten Werkstoffen überhaupt. Elektrisch leitfähig, flexibel und durchsichtig rechnen Forscher mit zahlreichen Anwendungen für Displays, Sensoren, hochfeste Fasern oder Schaltkreise. Den Weg zu einer günstigen Massenproduktion von Graphen ebneten nun Physiker mit einem verfeinerten Syntheseverfahren. Wie sie im Fachblatt „Science“ berichten, konnten sie Graphen aus einer Methangas-Atmosphäre herstellen, das trotz kleiner Mängel in der Struktur nahe an die theoretisch mögliche Stabilität heranreichte.

Die besten Graphenfilme erhalten Forscher, wenn sie extrem dünne Kohlenstofflagen von einem Grafitblock mit einem Klebestreifen abziehen. Doch für eine Massenfertigung großer Flächen ist dieser Weg zu mühselig. Daher dampften James Hone und seine Kollegen von der Columbia University in New York Graphenschichten aus einer heißen Methanwasserstoffatmosphäre auf eine Folie aus Kupfer auf. Auf die so entstandenen hauchdünnen Graphenfilme drückten sie vorsichtig einen Kunststoffstempel aus Polydimethylsiloxan auf. Das nun überflüssige Kupfer ätzten sie mit einer Lösung aus Ammoniumpersulfat weg. Am Kunststoffstempel haftend konnte das Graphen nun für die folgenden Stabilitätsversuche auf ein durchlöchertes Substrat aus Siliziumdioxid gelegt werden.

Hone und Kollegen drückten nun mit winzigen Nanobolzen ihre Graphenfilme in die Löcher hinein. Dabei konnten sie sehr starken Druck ausüben, um das Material an Grenzen seiner Stabilität zu bringen. Die Versuche belegten, dass das aufgedampfte Graphen fast an die Festigkeit von mühsam abgeschälten Filmen heranreichte. Selbst kleine Mängel in der Struktur des Graphen, sogenannte Korngrenzen, verringerten die Festigkeit kaum.

Bisher entstanden mit diesem verfeinerten Produktionsverfahren nur kleine Graphenstückchen. Doch können Aufdampfverfahren relativ leicht skaliert und an größere Anlagen angepasst werden. 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.