Graphen: Benetzungstransparente Schicht und neues Herstellungsvefahren

  • 25. January 2012

Eine Monolage aus Graphen lässt die Benetzungseigenschaften einer Kupferoberfläche unverändert. Außerdem lässt sich der Stoff bei tieferen Temperaturen erzeugen, als bislang üblich.

Graphen, die zweidimensionale Form des Kohlenstoffs, ist ein Material mit erstaunlichen Eigenschaften. Jetzt haben Forscher in den USA herausgefunden, dass eine Monolage aus Graphen auf bestimmten Oberflächen „benetzungstransparent“ ist, d. h. dass die für die Benetzung der Oberfläche mit Wasser verantwortlichen Kräfte die Monolage ungehindert durchdringen. Das könnte man nutzen, um durch eine Graphenbeschichtung Wärmetauscher vor Korrosion zu schützen. Forscher in Korea haben zudem ein Verfahren entwickelt, mit dem man Graphenschichten bei tiefen Temperaturen direkt auf einem nichtmetallischen Substrat wachsen lassen kann.

Abb.: Der Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf einer Siliziumoberfläche (links) ändert sich nicht, wenn die Oberfläche mit einer Monolage Graphen überzogen wird (rechts). (Bild: Rensselaer Polytechnic Institute)

Abb.: Der Kontaktwinkel eines Wassertropfens auf einer Siliziumoberfläche (links) ändert sich nicht, wenn die Oberfläche mit einer Monolage Graphen überzogen wird (rechts). (Bild: Rensselaer Polytechnic Institute)

Obwohl eine Monolage aus Graphen nur etwa 0,3 Nanometer dick ist, ist sie so stabil, dass man mit ihr große Oberflächen beschichten kann. Aufgrund ihrer geringen Dicke, absorbiert solch eine Monolage nur etwa 2,7 Prozent des einfallenden sichtbaren Lichts und ist somit optisch transparent. Darüber hinaus wirken die langreichweitigen van der Waals-Kräfte auch durch eine monoatomare Graphenschicht , die zwischen einer Substratoberfläche und einer sie benetzenden Flüssigkeit walten. Das haben jetzt Forscher um Pulickel Ajayan von der Rice University und Nikhil Koratkar vom Rensselaer Polytech beobachtet.

Die Wissenschaftler haben verschiedene Materialien wie Kupfer, Silizium und Glas mit unterschiedlich dicken Graphenschichten bedeckt und ihre Benutzungsfähigkeit mit Wasser experimentell und in Computersimulationen untersucht. Setzt sich ein Wassertropfen auf eine Unterlage, so lässt sich deren Benetzbarkeit durch den Kontaktwinkel des Tropfens charakterisieren. Das ist der am Tropfenrand auftretende Winkel zwischen der Unterlage und der Tangente der Tropfenoberfläche. Auf gut benetzbaren Unterlagen haben die Tropfen einen kleinen Kontaktwinkel, auf schlecht benetzbaren einen großen.

Eine saubere Siliziumoberfläche lässt sich gut mit Wasser benetzen. Hier maßen die Forscher einen Kontaktwinkel von ca. 32 Grad. Nachdem sie die Oberfläche mit einer Monolage Graphen bedeckt hatten, vergrößerte sich der Winkel nur um etwa 2 Prozent, obwohl die Wassertropfen nun nicht mehr direkt mit dem Silizium in Kontakt waren. Kupfer lässt sich nicht so gut benetzen. Für eine reine Kupferoberfläche ermittelten die Forscher einen Kontaktwinkel von ca. 86 Grad. Auch hier vergrößerte sich der Winkel nach Beschichtung der Oberfläche mit einer Graphenmonolage nur geringfügig. Wurden aber weitere Lagen hinzugefügt, so nahm der Kontaktwinkel stetig zu und erreichte bei sechs Lagen den für Graphit (mehrere Lagen Graphen) gemessenen Wert von gut 90 Grad.

Die Forscher erklären dies damit, dass die für die Benetzung verantwortlichen van der Waals-Kräfte zwischen Unterlage und Wassertropfen eine so große Reichweite haben, dass sie durch eine monoatomare Graphenlage hindurch wirken können. Sechs oder mehr Atomlagen dicke Graphenschichten können diese Kräfte jedoch nicht durchdringen, sodass sich der Wassertropfen so verhält, als säße er auf einer massiven Graphitschicht.

Ein ganz anderes Verhalten beobachteten die Forscher für Wassertropfen auf Glasunterlagen. Hier spielten die van der Waals-Kräfte keine Rolle, sondern es traten chemische Bindungskräfte zwischen den Wassermolekülen und den Sauerstoffatomen an der Glasoberfläche auf, die nur eine kurze Reichweite hatten. Für eine saubere Glasoberfläche ergab sich ein Kontaktwinkel von 20 Grad, der aber auf ca. 50 Grad hochschnellte, wenn sich auch nur eine Monolage Graphen zwischen dem Glas und dem Wassertropfen befand. Für chemische Bindungskräfte ist das Graphen also offenbar nicht transparent.

Da schon eine Monolage Graphen eine Kupferoberfläche vor Oxidation schützt, ohne ihre Benetzbarkeit merklich zu verringern, könnte man graphenbeschichtetes Kupfer in Wärmetauschern einsetzen. Wie die Forscher beobachteten, wurde die Fähigkeit einer Kupferoberfläche, in einer feuchten Atmosphäre Wärme aufzunehmen, durch Oxidation erheblich verringert. Eine mit Graphen beschichte Kupferoberfläche, die ähnlich gut benetzbar war aber nicht oxidierte, konnte die Wärme wesentlich besser aufnehmen. Da Graphen auch ein guter elektrischer Leiter ist, kann man durch Beschichtung mit einer Monolage Graphen eine wasserabweisende Isolatoroberfläche elektrisch leitend machen, ohne ihre hydrophoben Eigenschaften zu verändern.

Ein vielversprechendes Verfahren zur Herstellung von großflächigen Graphenschichten bei tiefen Temperaturen haben Soon-Yong Kwon vom Ulsan National Institute of Science and Technology in Korea und seine Kollegen entwickelt. Bisher werden solche Schichten bei hohen Temperaturen bis zu 1000 Grad Celsius auf Metalloberflächen synthetisiert und anschließend auf das gewünschte Substrat übertragen. Die koreanischen Forscher gingen bei ihrem Verfahren, das sie Diffusion-Assisted Synthesis (Das) nennen, anders vor. Sie bedeckten das Substrat, z. B. Siliziumoxid oder Kunststoff, mit einer 100 Nanometer dicken polykristallinen Nickelschicht, auf die anschließend in Äthanol gelöstes Graphitpulver aufgetragen wurde. Die Proben wurden unter Argon bei Temperaturen zwischen 25 und 260 Grad Celsius erhitzt, woraufhin der Kohlenstoff durch die Nickelschicht diffundierte und sich an der Oberfläche des Substrats als Graphenmonolage niederschlug. Nur an den Korngrenzen der Nickelschicht war das Graphen mehrlagig. Durch Wegätzen der Nickelschicht wurde das graphenüberzogene Substrat freigelegt. Die Forscher sehen für ihr Verfahren zahlreiche Anwendungen in der Elektronik und der Optoelektronik.

Rainer Scharf

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