Graphen

 

Aufgabenstellung

Mit zunehmender Miniaturisierung mikroelektronischer Bauteile steigen auch die Anforderungen an die verwendeten Werkstoffe. Mit der Herstellung von einlagigen Graphenschichten im Jahr 2004 ist aufgrund der herausragenden elektronischen, mechanischen und thermischen Eigenschaften ein rasant wachsendes Feld wissenschaftlichen und technologischen Interesses entstanden. Das grundlegende Hindernis für die Anwendungen von Graphen in industriellem Maßstab stellt das Fehlen eines reproduzierbaren und substratunabhängigen Herstellungsverfahrens mit lateraler Auflösung dar.

 

Vorgehensweise

Schematische Darstellung des Prinzips der laserinduzierten Deposition von Graphen auf einem transparentem Substrat. Urheberrecht: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT Schematische Darstellung des Prinzips der laserinduzierten Deposition von Graphen auf einem transparentem Substrat.

Ausgehend von hochorientiertem pyrolytischen Graphit wird ein neuartiger, nicht-thermischer Abtrags- und Depositionsprozess mit ultrakurz gepulster Laserstrahlung (Pulsdauern kleiner als 500 Femtosekunden) entwickelt. Dabei werden durch das Bestrahlen mit Pulsenergien unterhalb der klassischen Schwellfluenz für thermischen Abtrag die einzelnen Lagen in kristallinem Graphit zu resonanten Schwingungen angeregt. Durch Impulsübertrag der einzelnen Graphenlagen untereinander kommt es zu einem Ablösen der obersten, in sich intakten Lage.

 

Ergebnis

Eine ultradünne Graphitflocke, die auf Quarzglas deponiert wurde. Urheberrecht: Lehrstuhl für Lasertechnik LLT Eine ultradünne Graphitflocke, die auf Quarzglas deponiert wurde.

Mit Fluenzen welche in etwa der durch molekulardynamische Simulationen beschriebenen Abtragsschwelle entsprechen konnte mit Einzelpulsen der nicht-thermischen Abtrag realisiert und anhand des für Graphen charakteristischen optischen Transmissionsverhaltens einzelne Monolagen optisch verifiziert werden.

 

Anwendungsfelder

Neben dem grundlegenden physikalischen Interesse machen die außerordentlichen physikalischen und elektronischen Eigenschaften Graphen für viele technische Anwendungen von der Mikroelektronik über hochsensible Gassensoren und gasdichte Verpackungsbeschichtung bis hin zu denkbaren Bauteilen zur Erzeugung von THz-Strahlung durch Plasmonenanregung interessant.

 

Aktuelle Publikationen

C. Kalupka, 2016: Time-resolved investigations of the non-thermal ablation process of graphite induced by femtosecond laser pulses

C. Kalupka, 2015: Non-thermal ablation and deposition of graphite induced by ultrashort pulsed laser radiation

M. Reininghaus, 2014: Dynamics of ultrashort pulsed laser radiation induced non-thermal ablation of graphite

M. Reininghaus, 2012: Laser induced non-thermal deposition of ultrathin graphite

D. Wortmann, 2011: The physics in applications of ultrafast lasers