Graphen für großflächige flexible Elektronik

Das elektrisch und thermisch leitende und transparente Graphen wurde erstmals 2004 aus Graphit isoliert. Sechs Jahre später wurde dafür der Nobelpreis für Physik vergeben und die Anwendungsmöglichkeiten dieses Materials scheinen weiterhin ohne Grenze zu wachsen.

Die EU unterstützt das Projekt die GLADIATOR (Graphene layers: Production, characterization and integration), um die industrielle Produktion von billigeren, qualitativ hochwertigeren und größeren Graphenschichten zu fördern. Dadurch wird Graphen zu einer wichtigen Alternative zu teuren Zinn-Indiumoxid für transparente Elektroden, deren Markt im Jahr 2016 ein Volumen von über 11 Mio. USD haben soll.

Chemische Dampfabscheidung (CVD) ist vielleicht der beste Weg, um Graphen zu erzeugen, aber die zuverlässige Großserienfertigung von hochwertigem undotiertem Graphen ist immer noch problematisch. CVD spielt hierbei eine wichtige Rolle. Innerhalb des ersten Jahres optimierte das Team die Katalysatoren und erhöhte die Katalysator-Abdeckung des Substrats. Ferner demonstrierten die Forscher die fünffache Wiederverwendung der in dem Übertragungsverfahren verwendeten teuren Kupferkatalysatoren ohne Wirkung auf die Graphenqualität. Die umweltfreundliche Technik zur Minimierung des Ressourcenverbrauchs wurde nun patentiert.

Die Forscher machten auch wichtige Fortschritte bei der Erhöhung der Leitfähigkeit von Graphen durch externe Dotierung. Darüber hinaus erzielten sie umfangreiche Verbesserungen der Substrat- und Barriereeigenschaften, um Wasser- und Feuchtigkeitsschäden bei großflächiger flexibler transparenter Elektronik, wie etwa organische Leuchtdioden, zu verhindern.

Eine der wichtigsten Herausforderungen im Zusammenhang mit CVD ist das Trennen des Graphens vom Substrat nach dem Wachstum, insbesondere für große Flächen. Die Wissenschaftler haben die durchschnittliche Delaminationszeit für große Blattgrößen bereits um eine Größenordnung verringert und untersuchen das Potenzial der Beseitigung kleinerer Kacheln und deren Verbindung zu einem Graphen-"Patchwork".

Ein Inline-CVD-Tool für die Prozessüberwachung, das sowohl die optischen als auch die elektrischen Eigenschaften bewerten kann, befindet sich in der Entwicklung und wird von einer Technik zur Bewertung der elektrischen Eigenschaften nach der Übertragung aus dem Substrat ergänzt. Das Team hat bereits in vitro-Toxizitätstests durchgeführt und macht derzeit in vivo-Tests mit vielversprechenden Ergebnissen.

Die 16-Partner des GLADIATOR-Konsortiums haben die kritische Masse erreicht, um eine Technologie für eine bessere Graphenproduktion zu entwickeln. Das Projekt hat bereits zu einem Patent und mehreren hochkarätigen Publikationen geführt und könnte möglicherweise enorme sozioökonomische Auswirkungen haben.