Filme aus Graphen

Graphen, eine flache, einzelne Schicht aus Kohlenstoffatomen, kann Elektronen mit erstaunlicher Geschwindigkeit transportieren und gilt deshalb als enorm viel versprechendes Material für Elektronikkomponenten. Bislang war es Forschern allerdings nur möglich, kleine Flocken des Materials herzustellen – und das auch nur in geringer Menge. Ein Team an der Rutgers University hat nun eine Methode entwickelt, mit der sich ein transparenter Graphen-Film herstellen lässt, der einige Zentimeter breit und zwischen einem und fünf Nanometern dick sein soll.

Ein solcher Graphen-Dünnfilm könnte als kostengünstiger Ersatz für die transparenten Indiumzinnoxid-Elektroden dienen, die derzeit in organischen Solarzellen stecken. Denkbar wäre auch die Nutzung der neuen Technologie in Bildschirmen als Ersatz für die derzeit üblichen Silizium-Dünnfilm-Transistoren. Graphen kann Elektronen zehn Mal schneller als Silizium transportieren – entsprechende Transistoren wären also nicht nur flotter, sondern auch energiesparender.

Manish Chhowalla und seine Rutgers-Kollegen haben mit der Graphen-Film-Technologie bereits Transistor-Prototypen und Modelle organischer Solarzellen hergestellt. In seiner Studie zeigt das Forscherteam, wie sich der transparente Film auf nahezu jedem Substrat aufbringen lässt – darunter Glas und flexibler Kunststoff. Chhowalla glaubt, dass die Methode auch im großen Maßstab genutzt werden könnte, um "Meter um Meter Oberfläche mit einem Graphen-Film" zu überziehen – direkt von einer Rolle, wie man dies bereits aus der Produktion flexibler Schaltkreise kennt.

Im Vergleich zur Rutgers-Technologie ist die Ausbeute bei bestehenden Graphen-Herstellungsverfahren gering. Sie eignet sich daher eigentlich nur für eine experimentelle Verwendung. Eine oft genutzte Technik nennt sich die "Klebebandmethode" – dabei wird ein Scotch-Tape verwendet, um Graphen-Flocken von einem Stück Graphit abzulösen, das aus einzelnen Graphen-Blättern besteht. So ergeben sich Mikrometer-große Graphenfragmente, die dann zwischen Elektroden platziert werden können, um einen Transistor herzustellen. "Für große Geräte braucht man aber auch große Blätter", sagt Hannes Schniepp, Graphen-Experte an der Princeton University. Dafür müsse man schon viele kleine Graphen-Stücke über einen großen Bereich zusammenbringen, meint er.

Im Ansatz nutzen auch die Rutgers-Forscher eine ähnliche Idee. Sie beginnen mit der Aufschwemmung von Graphenoxid-Flocken. Dazu werden Graphitflocken mit Schwefel- oder Salpetersäure oxidiert. Dies führt zur Einlagerng von Sauerstoffatomen zwischen den einzelnen Graphen-Blättern, was die Schichten schließlich gewissermaßen auseinander zwängt. Es ergeben sich Graphenoxid-Blätter, die auf der Flüssigkeit schwimmen.

Diese wird dann durch eine Membran gefiltert, die 25 Nanometer breite Poren besitzt. Wasser läuft durch diese Poren, doch die Graphenoxid-Flocken, die in diesem Stadium jeweils ein paar Mikrometer breit sind und rund einen Nanometer dick, bleiben zurück. Bedeckt eine Flocke bereits eine der Poren, wird die Flüssigkeit auf die unbedeckten Nachbarporen gelenkt, die selbst wieder bedeckt werden, bis die Flocken über die gesamte Oberfläche verteilt sind, erläutert Chhowalla. "Diese Methode erlaubt es, einzelne Graphenschichten zu erzeugen. So ergibt sich ein nahezu uniformer Film, der auf der Membran hängen bleibt." Die von dem Film überzogene Seite der Membran wird dann auf ein Substrat aufgebracht, etwa Glas oder Kunststoff. Die Membran lässt sich dann mit Azeton wegspülen. Zum Schluss setzen die Forscher den Film einer Chemikalie namens Hydrazin aus, die das Graphenoxid in Graphen umwandelt.

James Tour, Chemieprofessor an der Rice University, hält dies für die bislang einfachste Methode, eine große Graphen-Dünnfilm-Schicht zu erzeugen, die er bis jetzt gesehen hat. Er glaubt, dass sich der Prozess leicht in eine kommerzielle Herstellung überführen lassen dürfte. "Der Ansatz ist für eine schnelle Produktionsreife sehr zugänglich. Es wird nicht besonders schwierig sein, Graphen so herzustellen – und große Bereiche damit zu bedecken."

Chhowalla und seine Kollegen kontrollieren die Dicke des Films durch die Veränderung des Volumens bei der Aufschwemmung. Ein Volumen von 20 Millilitern erzeugt einen Film, der normalerweise zwischen ein und zwei Nanometern dick ist, während 80 Millimeter drei bis fünf Nanometer Dicke erzeugen. Die dünneren Filme sind zu 95 Prozent transparent. Die Forscher nutzen die so erzeugten Schichten als transparente Elektroden bei organischen Solarzellen. Außerdem produzierten sie experimentelle Transistoren, in dem sie den Film auf ein Siliziumsubstrat aufbrachten und dann Goldelektroden darauf setzten.

Der sich ergebende Graphen-Dünnfilm muss allerdings in seinen Eigenschaften noch besser werden. Derzeit überträgt er noch nicht so viel Strom wie einzelne Graphenflocken, was möglicherweise an Überlagerungen der Ursprungsflocken liegt. Für qualitativ hochwertige Transistoren muss das Endprodukt ein möglichst reiner Einzelschicht-Graphenfilm sein.

Außerdem muss die Leitfähigkeit noch erhöht werden – Indiumzinnoxid ist noch immer Hunderte Male leitfähiger. Organische Solarzellen mit Indiumzinnoxid besitzen einen Wirkungsgrad von 3 bis 5 Prozent. "Bei unserem Graphen-Dünnfilm sind wir erst bei 0,1 Prozent angekommen", sagt Chhowalla, doch das bisher Gezeigte sei eben nur ein "Proof of Concept"-Design, das sich mit der Zeit verbessere.

Rice-Forscher Tour glaubt, dass sich Chhowallas Technik auf lange Sicht besonders gut für Solarzellen eignet könnte – weniger für Transistoren. Derzeit untersuchten viele Forscher Kohlenstoff-Nanoröhrchen-Filme, um die Indiumzinnoxid-Beschichtungen auf Solarzellen zu ersetzen. Graphen wäre hier jedoch einfacher zu nutzen, weil das Material breiter verfügbar ist. Hinzu komme die Angst der Industrie vor möglichen Umwelt- und Gesundheitsbedenken seitens Kohlenstoff-Nanoröhrchen. Die brächte Graphen nicht, meint Rice. (bsc)