Elke atoomlaag dun, scheurvast, en stabiel. Grafeen wordt gezien als het materiaal van de toekomst. Het is ideaal voor b.v. produceren van ultralichte elektronica of zeer stabiele mechanische componenten. Maar de flinterdunne koolstoflagen zijn moeilijk te maken. Aan de Technische Universiteit van München (TUM), Jürgen Kraus heeft zelfdragende grafeenmembranen vervaardigd, en tegelijkertijd systematisch de groei van de grafeenkristallen onderzocht en geoptimaliseerd. Voor zijn werk ontving hij de Evonik Onderzoeksprijs.

Grafeen breekt alle records. Het is het dunste en meest stabiele materiaal ter wereld, ultralicht, scheurvast, elektrisch geleidend, en zeer veerkrachtig. Sinds de ontdekking in 2004, de tweedimensionale structuren die zijn samengesteld uit koolstofatomen hebben de verbeeldingskracht en inventieve geest aangewakkerd. Auteurs van sciencefiction beschouwen het materiaal als geschikt voor het bouwen van kabels om ruimteliften aan te drijven. Materiaalonderzoekers experimenteren met grafeendisplays, transistoren, en elektroden, die beweren de elektronica van de toekomst lichter te maken, stabieler, en langer geleefd. In de wetenschappelijke gemeenschap, films van zeer zuiver grafeen zijn zeer begeerd, omdat ze ervoor zorgen dat gassen en vloeistoffen ultradicht kunnen worden verpakt.

"Momenteel, echter, de basisvereisten ontbreken nog. Er zijn verschillende productieprocessen die geschikt zijn voor massaproductie van grafeen. Echter, dit materiaal is niet vrij van gebreken. Grafeen van de hoogste kristallijne kwaliteit kan op deze manier niet reproduceerbaar worden vervaardigd", legt Sebastian Günther uit, Hoogleraar Fysische Chemie aan de TUM. Zijn team is er nu in geslaagd om te analyseren, toezicht houden, en het optimaliseren van de groei van grafeenkristallen door middel van chemische dampafzetting (kortweg CVD). De bevindingen zijn onlangs gepubliceerd in de Annalen der Physik ( Annalen van de natuurkunde ).

Theorie en kanttekeningen in de praktijk

theoretisch, het is heel gemakkelijk om grafeen te produceren:het enige dat nodig is, is een verwarmd glazen vat, een reactor, waarin koolstofhoudend gas zoals methaan wordt toegevoerd, evenals koper als katalysator. Bij temperaturen van rond de 1, 000 graden Celsius, het methaan ontleedt op het koperoppervlak om waterstof en koolstof te produceren. Terwijl de waterstof vervolgens het koperoppervlak verlaat, de koolstofatomen verzamelen zich op het oppervlak van de koperfilm die wordt gebruikt tijdens deze chemische precipitatie vanuit de gasvormige toestand - een proces dat chemische dampafzetting wordt genoemd. Hier, de atomen verknopen en vormen grafeen "vlokken", vlekachtige tweedimensionale structuren met de typische honingraatstructuur. Wat overblijft is de waterstof, die via afzuiging kan worden afgezogen.

Echter, in praktijk, de duivel is in de details. "Het grootste probleem is dat de tweedimensionale kristalstructuur vaak niet helemaal homogeen is, omdat de groei op meerdere locaties tegelijk begint", legt Jürgen Kraus uit, die de experimenten uitvoerden. "Op het eerste gezicht, het lijkt erop dat er een continue grafeenfilm op het koper verschijnt, maar de zeshoekige honingraten zijn niet allemaal op dezelfde manier georiënteerd, en de structuur is verzwakt op plaatsen waar ze elkaar ontmoeten."

Dergelijke defecten kunnen worden vermeden door ervoor te zorgen dat het oppervlak van het koper zo vrij mogelijk is van kristallisatiekernen.

Met zijn experimenten de chemicus kon aantonen dat verontreinigingen het beste kunnen worden verwijderd met behulp van zuurstofgas, d.w.z. door oxidatie. Echter, om ongewenste bijwerkingen te voorkomen, er moet voor worden gezorgd dat de koperkatalysator alleen wordt blootgesteld aan de minimaal mogelijke hoeveelheden zuurstof.

Cruciaal voor succes:gasconcentratie en temperatuur

In het tweede deel van zijn experimenten, Kraus analyseerde hoe verschillende partiële drukken en temperaturen de vorming van grafeen tijdens chemische dampafzetting beïnvloeden. Als de gebruikte gassamenstelling te veel waterstof bevat, er groeit helemaal geen grafeen; als het te weinig waterstof heeft, de lagen worden te dik. Pas als alle parameters zodanig zijn gekozen dat de groei "dicht genoeg" bij het thermische evenwicht plaatsvindt, wordt in een kristalrooster zeer zuiver grafeen zonder defecten gevormd.

Kwaliteitscontrole in Italië

Om de kwaliteit van de vlokken te controleren, de in München gevestigde onderzoekers gingen met hun monsters op reis naar Italië. In het onderzoekscentrum Elettra Sincrotrone Trieste, die is uitgerust met een ringvormige deeltjesversneller, ze waren in staat om de grafeenlagen chemisch en structureel te karakteriseren met een speciale microscoop, die een hoge resolutie had dankzij de hoogenergetische synchrotronstraling.

"De resultaten van de haalbaarheidsstudie waren zeer bemoedigend", meldt Günther. "De afbeeldingen hebben aangetoond dat reproduceerbare resultaten kunnen worden verkregen door de parameters te selecteren tijdens chemische dampafzetting"

Het beste kwaliteitsrecord van de TUM-onderzoekers tot nu toe:grafeenvlokken van één vierkante millimeter met tien miljard nauwkeurig uitgelijnde koolstofatomen. "Het voordeel ten opzichte van andere onderzoeken is niet zozeer de bereikte 'recordgrootte', maar ligt in het feit dat de vlokken worden gevormd met een voorspelbare groeisnelheid als de juiste CVD-parameters worden gekozen, waardoor gesloten, zeer kristallijne grafeenlagen met een dikte van slechts één atoom binnen enkele uren te vervaardigen", vat Günther samen.

Minifilms voor nieuwe toepassingen

Grafeen opent een breed scala aan nieuwe toepassingen, vooral in fundamenteel onderzoek:voor een, de ultradunne grafeenfilms kunnen b.v. van het koperen substraat worden verwijderd en als afdekfolie worden gebruikt. Dergelijke films zijn geschikt om vloeistoffen in een houder op te vangen. Omdat de films transparant zijn voor langzame elektronen, de monsters kunnen worden bestudeerd via elektronenspectroscopie en microscopie, ook al worden deze technieken doorgaans gebruikt bij ultrahoogvacuüms of hoogvacuüms.

Met behulp van de filmpjes de onderzoekers zijn ook van plan om levende cellen te onderzoeken, met vloeistof bedekte elektroden en katalysatoren onder hoge druk via foto-elektronenspectroscopie in de toekomst. In dit proces, fotonen, die de film kunnen doordringen, hun energie overdragen aan de elektronen in het monster, zodat ze worden losgelaten en door de folie naar buiten gaan. Hun energieniveaus kunnen vervolgens worden gebruikt om conclusies te trekken over de chemische samenstelling van het monster.