Metall katalysierte Graphensynthese für die Präparation von Membranen mit höchster Perfektion auf der atomaren Skala

• Antragsteller: Professor Dr. Sebastian Günther
• Fachliche Zuordnung: Physikalische Chemie von Molekülen, Flüssigkeiten und Grenzflächen, Biophysikalische Chemie ; Experimentelle Physik der kondensierten Materie
• Förderung: Förderung von 2013 bis 2018
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 242803365

Seit der Entdeckung und Herstellung von Graphen mittels Exfoliation erfährt dieses Material eine enorme Aufmerksamkeit nicht nur wegen seiner einzigartigen elektronischen, sondern auch wegen seiner mechanischen Eigenschaften, wie dem enormen Elastizitätsmodul oder der großen Reißfestigkeit. Die außergewöhnliche mechanische Stabilität von Graphen erlaubt es, höchst belastbare Membranen herzustellen, die bei entsprechend geringer Dicke sogar von niederenergetischen Elektronen durchdrungen werden können. Da diese Art der Anwendung die Herstellung großer zweidimensionaler Graphenkriställchen mit höchster kristalliner Qualität erfordert, untersuchen wir, wie man möglichst defektfreies Graphen mittels einer Metall-katalysierten Präparationsroute herstellen kann.Im Detail untersuchen und optimieren wir das Graphenwachstum auf einer Ru(0001) Oberfläche oder auf Kupferunterlagen (ein- und polykristallin) mittels in situ STM, UHV basierten Analysetechniken (LEED, AES und evtl. XPS) und in situ LEEM und SPELEEM Messungen. Wir wenden uns hier insbesondere der Restrukturierung des Substrates während des Graphenwachstums zu und untersuchen die Verbesserung des CVD Prozesses, indem wir Präparationsschritte einführen, die zur Auflösung von Defekten in den bereits gebildeten Graphenschichten führen sollen.Wir untersuchen weiterhin sogenannte lift-off-Prozesse, die es ermöglichen sollen, das gebildete Graphen von der Unterlage möglichst schonend abzulösen. Zu diesem Zweck sind in situ LEEM Studien geplant.Die unternommenen in situ Studien and Graphen auf Kupferunterlagen werden mit dem bereits bei uns etablierten Prozess kombiniert, bei dem wir in einem selbstgebauten Reaktor im mbar Bereich Graphen herstellen. Wir wollen diesen Prozess soweit verändern, damit besonders große und hochkristalline Graphenscheibchen gebildet werden. Für diesen Optimierungsprozess setzen wir zur Charakterisierung der Graphenfilme verschiedene ex situ Techniken ein (Ramanspektroskopie, SEM, ex situ XPS sowie optische Mikroskopie).Wir planen ebenfalls, das Wachstum in einer kombinierten Hochdruck-UHV basierten LEEM Studie zu untersuchen. Schließlich wollen wir mit Hilfe der hergestellten Graphenschichten elektronentransparente Membranen herstellen, die wir mittels Spectroscopic Photoemission and Low Energy Electron Microscopy (SPELEEM) und Scanning Photoelectron Microscopy (SPEM) am Synchrotron untersuchen wollen. Wegen der engen Verknüpfung von kristalliner Qualität und den sich ergebenden elektronischen und mechanischen Eigenschaften wird ein verbessertes Präparationsverfahren, welches defektfreies Graphen liefert, für weitergehende, grundlagenorientierte Studien und zukünftige Graphen-basierte Anwendungen von besonderem Interesse sein.

• DFG-Verfahren: Schwerpunktprogramme
• Teilprojekt zu: SPP 1459: Graphene
• Internationaler Bezug: Italien, USA
• Beteiligte Personen: Dr. Luca Gregoratti; Dr. Andrei Kolmakov; Dr. Andrea Locatelli; Dr. Tefvik Onur Mentes