Grafenfilm, som består av ett- eller fålags grafenark, har ekstraordinære egenskaper, inkludert høy elektrisk ledningsevne (10^6 S/m), termisk ledningsevne (5,000 W/mK) og mekanisk styrke (130 GPa), noe som gjør den uvurderlig for applikasjoner innen elektronikk, energilagring og termisk styring. Å produsere den av høy kvalitet krever presis kontroll over materialforberedelse, lagdannelse og etterbehandling, da selv mindre defekter kan forringe ytelsen betydelig. 

Kjemisk dampavsetning (CVD): Produksjon av grafenfilm av industriell kvalitet

Kjemisk dampavsetning (CVD) er den mest brukte metoden for å produsere store, høykvalitets materialer. grafen film, foretrukket av industrien for sin skalerbarhet og evne til å lage ensartede lag. Prosessen innebærer å dekomponere karbonholdige gasser på en katalytisk metalloverflate, etterfulgt av overføring av grafenlaget til et målsubstrat. Denne delen beskriver CVD-prosessen i detalj, fra utstyrsoppsett til filmoverføring.

① Grafenvekstprosess

CVD-vekstprosessen involverer fire kritiske stadier, som hver krever presis parameterkontroll:

1. Substratgløding: Fyll den rensede metallfolien inn i kvartsrøret. Evakuer kammeret til 10⁻⁶ Torr, og flyt deretter inn Ar (500 sccm) og H₂ (50 sccm) mens du varmer opp til 1,000 °C (for Cu) eller 900 °C (for Ni) med en hastighet på 10 °C/min. Oppretthold denne temperaturen i 30 minutter for å redusere overflateoksider og flate ut metallkornstrukturen – større korn (>50 μm) fremmer kontinuerlig grafenvekst (Carbon, 2023).

2. Introduksjon av forløper: Reduser H₂-strømmen til 20 sccm og introduser CH₄ (5–10 sccm) mens Ar-strømmen opprettholdes (500 sccm). Totaltrykket holdes på 1 Torr. Veksttiden varierer fra 5–30 minutter: kortere tider produserer mindre grafendomener, mens lengre tider tillater domener å slå seg sammen til kontinuerlige filmer.

3. Avkjøling: Etter vekst, stopp CH₄-strømmen og avkjøl ovnen til romtemperatur under Ar/H₂-atmosfære (500/20 sccm) med en hastighet på 50 °C/min. Rask avkjøling minimerer karbonsegregering i Ni-substrater, og forhindrer dannelse av flerlag.

4. Filminspeksjon: Bruk optisk mikroskopi for å sjekke ensartethet – enkeltlags grafen på Cu fremstår som en gjennomskinnelig film med karakteristiske «moirémønstre», mens defekter fremstår som mørke flekker (Nature Nanotechnology, 2021). En studie fra 2023 i ACS Nano viste at det å opprettholde CH₄-partialtrykket under 0.01 Torr er kritisk for å forhindre flerlagsvekst på Cu-substrater (Li et al., 2023).

②Grafenoverføring til målsubstrater

Etter vekst må grafen overføres fra metallsubstratet til et målmateriale (f.eks. silisiumdioksid, PET eller glass) for praktisk bruk:

1. Påføring av støttelag: Spin-coat et tynt lag med poly(metylmetakrylat) (PMMA) på grafen-/metalloverflaten ved 3,000 o/min i 60 sekunder, og stek deretter ved 180 °C i 5 minutter for å danne en beskyttende film.

2. Metalletsing: Senk prøven i en 0.1 M ammoniumpersulfatløsning (for Cu) eller 1 M salpetersyre (for Ni) til metallet er fullstendig oppløst (vanligvis 2–6 timer). Rist løsningen forsiktig for å forhindre PMMA/grafen-delaminering.

3. Rengjøring og overføring: Overfør den flytende PMMA/grafenfilmen til avioniserte vannbad (3x) for å fjerne etsemiddelrester. Fisk filmen ut med målsubstratet, og sørg for riktig justering.

4. Fjerning av PMMA: Stek substratet ved 120 °C i 30 minutter for å feste grafenet, og løs deretter opp PMMA i aceton (bløtlegg i 2 timer) eller bruk en 300 °C glødemetode i Ar/H₂-atmosfære (1 time).

Selv om CVD produserer grafenfilm av høy kvalitet, krever det høye temperaturer og dyrt utstyr, noe som gjør det mindre egnet for produksjon i laboratorieskala eller kostnadssensitive applikasjoner. Flytende faseeksfoliering tilbyr et mer tilgjengelig alternativ, ved å bruke mekaniske og kjemiske metoder for å produsere grafenfilm fra bulkgrafitt. Denne metoden, som utforskes i neste avsnitt, balanserer enkelhet med rimelig filmkvalitet for mange bruksområder.

Flytende faseeksfoliering: Produksjon av grafenfilm i laboratorieskala

En kritisk prosess for grafen film Fabrikasjon involverer grafitteksfoliering ved bruk av løsemidler og overflateaktive stoffer, etterfulgt av dispersjonsoptimalisering og filmavsetning. 

For eksfoliering, start med grafittflak med høy renhet (99.99 % renhet, størrelse 100–500 μm) og et løsemiddel med grafen som matcher overflateenergien (~60 mJ/m²) – alternativer inkluderer N-metyl-2-pyrrolidon (NMP), dimetylformamid (DMF) eller vann blandet med overflateaktive stoffer som natriumdodecylsulfat (SDS); kombiner grafitt (10 mg/ml) med det valgte løsemiddelet i et glassampulle, og soniker deretter via en 300 W probesonikator i 1–2 timer (med 5-sekunders av/på-sykluser for å unngå overoppheting) eller en badesonikator i 12–24 timer (skånsommere for å redusere arkskade), og sentrifuger dispersjonen ved 3,000–5,000 o/min i 30 minutter for å kaste ueksfolierte grafittpellets, slik at det blir en supernatant av 1–5-lags grafenark. 

Når dispersjonen er optimalisert, avsettes den i filmer ved hjelp av en av tre teknikker som passer til substrattype og tykkelsesbehov: dråpestøping (pipetter 100–500 μL på substrater som glass eller silisium, fordamp løsningsmiddel ved romtemperatur eller 60 °C – enkelt for små substrater, men utsatt for kafferingeffekter), spinnbelegg (påfør 50–100 μL på et substrat som spinner ved 1,000–3,000 o/min i 30–60 sekunder, noe som produserer tynne, ensartede 10–50 nm filmer som er ideelle for elektronikk), eller vakuumfiltrering (filtrer gjennom en 0.2 μm porøs membran som celluloseester for å danne 1–10 μm tykke, høyfaste filmer på membranen, som kan overføres til andre substrater ved å løse opp membranen i aceton eller vann – egnet for energilagringsenheter). Etter avsetning, glød filmen ved 200 °C i vakuum i 1 time for å fjerne gjenværende løsningsmiddel, noe som øker konduktiviteten med 10–20 %.

Flytende faseeksfoliering tilbyr fordeler både når det gjelder tilgjengelighet og kostnader, men filmene inneholder ofte defekter og korngrenser som begrenser ytelsen i avanserte applikasjoner. For ultrahøykvalitets grafenfilm, slik som den som brukes i halvlederkomponenter, er epitaksialvekst på enkeltkrystallsubstrater fortsatt gullstandarden. Denne metoden, som produserer grafen med minimale defekter og presis lagkontroll, utforskes i den siste delen.

Epitaksial vekst: Høyren grafenfilm for avanserte applikasjoner

Epitaksial vekst gir den høyeste kvaliteten grafen film, karakterisert av store domenestørrelser (>100 μm), minimale defekter og presis lagkontroll – kritisk for applikasjoner som høyfrekvente transistorer og kvanteenheter. Prosessen innebærer å dyrke grafen på enkeltkrystallsubstrater (vanligvis silisiumkarbid, SiC) gjennom termisk dekomponering av substratets karbonatomer. Selv om epitaksial vekst krever spesialisert høytemperaturutstyr, gir den grafen med elektriske og termiske egenskaper som nærmer seg teoretiske grenser. Denne delen beskriver substratforberedelse, vekstprosessen og filmkarakterisering.

①Forberedelse av silisiumkarbidsubstrat

SiC-substrater må gjennomgå grundig forberedelse for å sikre grafenvekst av høy kvalitet:

- Valg av substrat: Bruk 4H-SiC- eller 6H-SiC-wafere (2–4 tommer i diameter) med en polert Si-overflate eller C-overflate. Si-overflaten produserer mer jevn grafen, mens C-overflaten tillater raskere vekst. Substratene bør ha en lav mikrorørstetthet (<0.1 cm⁻²) for å forhindre vekstdefekter.

- Kjemisk rengjøring: Rengjør waferen i en piranhaløsning (3:1 H₂SO₄:H₂O₂) ved 120 °C i 10 minutter for å fjerne organiske forurensninger, etterfulgt av en 5-minutters dypping i fortynnet HF (5 %) for å etse det naturlige oksidlaget. Skyll grundig i avionisert vann og tørk med nitrogen.

- Gløding for overflateflathet: Glød den rensede SiC i Ar-atmosfære ved 1,500 °C i 30 minutter for å fjerne overflatetrinn og lage en terrassestruktur – ensartede terrasser (bredde >10 μm) fremmer kontinuerlig grafenvekst (Applied Physics Reviews, 2022). En studie fra 2023 i Fysisk gjennomgangsmateriell fant at SiC-substrater med feilskjæringsvinkler <0.5° produserer større grafendomener enn de med høyere feilskjæringsvinkler (Zhang et al., 2023).

② Termisk nedbrytning og grafenvekst

Epitaksial vekst på SiC innebærer kontrollert termisk nedbrytning av substratet i et høyvakuummiljø:

1. Kammerforberedelse: Last SiC-waferen inn i et kammer med ultrahøyt vakuum (UHV) (basistrykk <10⁻¹⁰ Torr) utstyrt med resistiv oppvarming og pyrometertemperaturkontroll.

2. Desorpsjonstrinn: Varm opp waferen til 1,000–1,200 °C med en hastighet på 5 °C/min under UHV for å desorbere overflateforurensninger (f.eks. vann, hydrokarboner). Oppretthold denne temperaturen i 30 minutter.

3. Veksttrinn: Øk temperaturen til 1,400–1,600 °C (avhengig av ønsket lagantall) og hold i 5–30 minutter. Ved disse temperaturene sublimerer Si-atomene fra overflaten og etterlater et karbonrikt lag som omorganiseres til grafen. Høyere temperaturer (1,500–1,600 °C) produserer færre lag (1–2 lag), mens lavere temperaturer (1,400–1,450 °C) gir 3–5 lag.

4. Avkjøling: Avkjøl waferen til romtemperatur ved 10 °C/min under UHV for å forhindre nedbrytning av grafen. Vekstmiljøet er kritisk: UHV-forhold minimerer inkorporering av urenheter, mens kontrollert Ar-strøm (1–5 sccm) kan redusere Si-sublimeringshastigheter, noe som gir bedre lagkontroll (Journal of Vacuum Science & Technology B, 2022).

Hvis du ønsker å integrere banebrytende grafenteknologi i prosjektene eller produktene dine, er det nå du bør handle. Ta kontakt med ekspertene på Shengxihong Vitenskap og Teknologi å finne ut hvordan deres grafen film Løsninger kan revolusjonere varmesystemene og energieffektivitetsstrategiene dine. Kontakt dem i dag kl. 1315363763@qq.com for å lære mer om deres innovative produkter og hvordan de kan skreddersys for å møte dine spesifikke behov.