Aktuelle Syntheseverfahren für Graphen erfordern hohe Temperaturen und den Einsatz von Katalysatoren. Die Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Elektronenstrahl- und Plasmatechnik (FEP) nutzen hingegen plasmaunterstützte Verfahren. Dazu setzen sie die Inline-Beschichtungsanlage Maxi ein, eine multifunktionale Vakuumanlage. Sie bietet je nach Entwicklungsreife des Verfahrens die Möglichkeit, Prozesse sowohl im Sheet-to-Sheet-Modus als auch im Rolle-zu-Rolle-Verfahren durchzuführen.
Substrat unabhängig vom Katalysator auftragen
Im ersten Schritt wird das Metallband mit einer dünnen Schicht eines Katalysatormaterials – etwa Kupfer – im Vakuum beschichtet. Damit ist es möglich, das Substratmaterial unabhängig von dem geeigneten Katalysatormaterial auszuwählen. Gleich danach wird das beschichtete Metallband in eine Prozesseinheit mit einer Argon-Plasmaentladung bewegt. Die dort erzeugten Argon-Ionen kollidieren mit dem Substrat und erwärmen es hocheffizient in sehr kurzer Zeit. Durch Zugabe eines geeigneten Präkursor-Gases – etwa Methan oder Acetylen – in unmittelbarer Umgebung der Plasmaentladung können die Moleküle in ihre Einzelbestandteile zerlegt und gleichzeitig teilweise ionisiert werden.
Geringere Substrattemperaturen notwendig
Die so erzeugten Kohlenstoffatome und -ionen lagern sich im Idealfall in einer einlagigen, geordneten 2D-Struktur auf dem Substrat ab und erzeugen so die gewünschte Schicht aus Graphen. Durch die Unterstützung der im Plasma vorhandenen Ionen kann der Formationsprozess bei vergleichsweise geringeren Substrattemperaturen realisiert werden, als dies mit in anderen Verfahren nach dem Stand der Technik bisher möglich war.
Hohe Fertigungsdurchsätze möglich
Die Forscherinnen und Forscher konnten mit dem PECVD-Verfahren bereits Graphen auf einer Bandbreite von 280 mm bei Prozessgeschwindigkeiten von einem Meter pro Minute synthetisieren. Damit ermöglicht das Verfahren hohe Fertigungsdurchsätze. Zudem erlaubt die Technologie eine Erweiterung der einsetzbaren Substratmaterialien und damit ein breiteres Anwendungsspektrum.