Aufdampfen oder Abschälen: Wie hauchdünne Kohlenstofffilme elektrische Ladungen besser leiten

Ithaka (USA) – Erst vor acht Jahren entdeckt, gelten atomar dünne Folien aus Kohlenstoff – Graphen genannt – schon heute als ein vielversprechender Werkstoff für günstige Flachbildschirme und leistungsfähige Stromspeicher. Doch für möglichst perfekte, monokristalline Graphenschichten gestaltet sich die Fertigung im großen Maßstab schwierig. Einen Ausweg haben nun Physiker von der Cornell University in den USA gefunden. Wie sie in der Zeitschrift „Science“ berichten, können weniger gleichmäßige, polykristalline Graphenschichten elektrische Ladungen überraschend gut leiten. Mit ihren Messungen ebnen sie den Weg hin zu zahlreichen Anwendungen vom flexiblen Flachbildschirm über leistungsfähige Superkondensatoren bis zum schnell getakteten Graphenschaltkreis.

Zwei Bilder, auf denen die Graphenschicht wie ein buntes, unregelmäßiges Mosaik wirkt. Auf dem dritten Bild sind Elektroden zu sehen, die mit der Graphenschicht verbunden sind.
Polykristallines Graphen

Die qualitativ besten Graphenschichten gewinnen Forscher heute über das Abschälen atomar dünner Lagen von einem Graphitblock. Diese monokristallinen Folien sind extrem stabil, flexibel, transparent und erreichen eine sehr hohe Elektronenmobilität – die Grundlage für elektronische Anwendungen. Mit diesem Verfahren lassen sich große Graphenflächen jedoch nur sehr schwer herstellen. Alternativ kann Kohlenstoff aus einer heißen Dampfwolke auf einem Träger abgeschieden werden (CVD-Verfahren). Dabei entstehen allerdings polykristalline Graphenschichten, die bislang als weniger geeignet galten.

Den Grund dafür sahen Graphen-Forscher bisher in polykristallinen Schichten mit zahlreichen Korngrenzen, an denen Ladungsträger gestreut werden. So erwartete auch das Team um Adam Tsen eine geringere Beweglichkeit der Ladungsträger. Zur Überraschung der Forscher zeigten jedoch auf Siliziumdioxid abgeschiedene und danach separierte Graphenschichten sogar noch höhere Mobilitätswerte für Elektronen. Daraufhin untersuchten sie ihre Proben unter einem Transmissionselektronenmikroskop genauer und entdeckten sich überlappende Graphenschichten, die die störende Streuung der Ladungsträger an den Korngrenzen offenbar mehr als kompensierten.

Diese Versuche zeigen, dass Graphenschichten ihre herausragenden elektronischen Eigenschaften trotz eines polykristallinen Aufbaus nicht verlieren müssen. In weiteren Schritten könnten die genutzten CVD-Verfahren weiter optimiert und an eine günstige Fertigung in größeren Maßstäben angepasst werden. Mit sinkenden Produktionskosten wachsen die Chancen, Graphen als leitfähige und transparente Elektrodenschicht in Flachbildschirmen oder in Superkondensatoren mit hohen Ladungskapazitäten einsetzen zu können.