Cada capa atómica delgada, resistente al desgarro y estable. El grafeno se considera el material del futuro. Es ideal para p. Ej. produciendo electrónica ultraligera o componentes mecánicos altamente estables. Pero las capas de carbono delgadas como una oblea son difíciles de producir. En la Universidad Técnica de Munich (TUM), Jürgen Kraus ha fabricado membranas de grafeno autoportantes, y al mismo tiempo investigó y optimizó sistemáticamente el crecimiento de los cristales de grafeno. Fue galardonado con el Premio de Investigación Evonik por su trabajo.

El grafeno rompe todos los récords. Es el material más delgado y estable del mundo, ultraligero prueba lágrima, Conducto electrico, y muy resistente. Desde que fue descubierto en 2004, las estructuras bidimensionales compuestas por átomos de carbono han alimentado la imaginación y el espíritu inventivo. Los autores de ciencia ficción consideran que el material es adecuado para construir cables para impulsar ascensores espaciales. Los investigadores de materiales están experimentando con pantallas de grafeno, transistores, y electrodos, que pretenden aligerar la electrónica del futuro, mas estable, y más longevo. En la comunidad científica, las películas de grafeno de alta pureza son muy codiciadas, ya que permiten envasar gases y líquidos de forma ultradensa.

"En la actualidad, sin embargo, aún faltan los requisitos básicos. Existen varios procesos de fabricación que son adecuados para la producción masiva de grafeno. Sin embargo, este material no está libre de defectos. El grafeno de la más alta calidad cristalina no se puede fabricar de forma reproducible de esta manera ", explica Sebastian Günther, Catedrático de Química Física de la TUM. Su equipo ahora ha logrado analizar, vigilancia, y optimizar el crecimiento de cristales de grafeno a través de la deposición de vapor químico (CVD para abreviar). Los hallazgos fueron publicados recientemente en el Annalen der Physik ( Anales de Física ).

Teoría y advertencias en la práctica

Teóricamente es muy fácil producir grafeno:todo lo que se necesita es un recipiente de vidrio calentado, un reactor, en el que se introduce gas que contiene carbono, como el metano, así como cobre como catalizador. A temperaturas de alrededor de 1, 000 grados Celsius, el metano se descompone en la superficie del cobre para producir hidrógeno y carbono. Mientras que el hidrógeno posteriormente abandona la superficie del cobre, los átomos de carbono se acumulan en la superficie de la película de cobre utilizada durante esta precipitación química del estado gaseoso, un proceso llamado deposición química de vapor. Aquí, los átomos se entrecruzan y forman "copos" de grafeno, Estructuras bidimensionales en forma de puntos con la típica estructura de panal. Lo que queda es el hidrógeno, que se puede extraer por succión.

Sin embargo, en la práctica, El diablo está en los detalles. "El mayor problema es que la estructura cristalina bidimensional a menudo no es del todo homogénea, porque el crecimiento comienza simultáneamente en varias ubicaciones ", explica Jürgen Kraus, quién llevó a cabo los experimentos. "A primera vista, parece que aparece una película continua de grafeno sobre el cobre, pero los panales hexagonales no están todos orientados de la misma manera, y la estructura se debilita en los lugares donde se encuentran ".

Estos defectos se pueden evitar asegurándose de que la superficie del cobre esté lo más libre posible de núcleos de cristalización.

Con sus experimentos, el químico pudo demostrar que la mejor manera de eliminar los contaminantes es con la ayuda de gas oxígeno, es decir. por oxidación. Sin embargo, para evitar efectos secundarios indeseables, Se debe tener cuidado para asegurar que el catalizador de cobre solo esté expuesto a las cantidades mínimas posibles de oxígeno.

Crucial para el éxito:concentración de gas y temperatura

En la segunda parte de sus experimentos, Kraus analizó cómo varias presiones y temperaturas parciales afectan la formación de grafeno durante la deposición de vapor químico. Si la composición de gas utilizada contiene demasiado hidrógeno, ningún grafeno crece en absoluto; si tiene muy poco hidrógeno, las capas se vuelven demasiado gruesas. Solo cuando se seleccionan todos los parámetros de manera que el crecimiento se produzca "lo suficientemente cerca" del equilibrio térmico, se forma grafeno de alta pureza sin defectos en una red cristalina.

Control de calidad en Italia

Para verificar la calidad de las escamas, los investigadores de Munich viajaron a Italia con sus muestras. En el Centro de Investigación Elettra Sincrotrone Trieste, que está equipado con un acelerador de partículas en forma de anillo, pudieron caracterizar química y estructuralmente las capas de grafeno con un microscopio especial, que tenía una alta resolución gracias a la radiación de sincrotrón de alta energía.

"Los resultados del estudio de viabilidad fueron muy alentadores", informa Günther. "Las imágenes han demostrado que se pueden obtener resultados reproducibles seleccionando los parámetros durante la deposición de vapor químico"

El mejor récord de calidad de los investigadores de TUM hasta ahora:escamas de grafeno que miden un milímetro cuadrado que contienen diez mil millones de átomos de carbono alineados con precisión. "La ventaja sobre otros estudios no es tanto el 'tamaño récord' logrado, pero radica en el hecho de que los copos se forman con una tasa de crecimiento predecible si se eligen los parámetros correctos de CVD, permitiendo así cerrado, Capas de grafeno altamente cristalinas con un grosor de un solo átomo que se fabricarán en unas pocas horas ", resume Günther.

Mini películas para nuevas aplicaciones

El grafeno abre una amplia gama de nuevas aplicaciones, sobre todo en la investigación básica:por un lado, las películas de grafeno ultrafinas pueden, por ejemplo, retirarse del sustrato de cobre y utilizarse como películas de cobertura. Tales películas son adecuadas para atrapar líquidos en un recipiente. Debido a que las películas son transparentes a los electrones lentos, las muestras se pueden estudiar mediante espectroscopía electrónica y microscopía, a pesar de que estas técnicas se usan típicamente en vacíos ultra altos o altos.

Con la ayuda de las películas, los investigadores también tienen la intención de investigar las células vivas, electrodos cubiertos de líquido y catalizadores a alta presión mediante espectroscopía de fotoelectrones en el futuro. En este proceso, fotones, que son capaces de penetrar la película, transferir su energía a los electrones en la muestra, de manera que se suelten y atraviesen la película hacia el exterior. A continuación, sus niveles de energía se pueden utilizar para derivar conclusiones sobre la composición química de la muestra.