-
Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schneidvorrichtung zum Schneiden
von Graphen sowie ein Verfahren zum Schneiden von Graphen mittels
einer Schneidvorrichtung.
-
Hintergrund der Erfindung
-
Graphen
ist ein Material, das aus monoatomar dünnen Schichten von sp2-hybridisiertem Kohlenstoff besteht, was
zu einer wabenförmigen
Anordnung der Atome führt. Über seine
Herstellung wurde erst jüngst
berichtet (K. S. Novoselov et al., Proceedings of the National Academy
of Sciences of the United States of America 102, 10451 (2005)).
Graphen kann in der Zukunft Silizium als das wichtigste Material
in der Elektronik ersetzen, da es dem Silizium in verschiedener
Hinsicht überlegen
ist. Beispielsweise weist Graphen eine um zwei Größenordnungen
höhere
Elektronenmobilität
auf als Silizium, ist sehr dünn
und, was am wichtigsten ist, es ist möglich, einen elektronischen
Schaltkreis aus einem einzelnen Graphenstück zu schneiden. Es wurde bereits nachgewiesen,
dass es möglich
ist, einen funktionsfähigen
Transistor aus Graphen herzustellen. Da die Siliziumelektronik in
mehrerlei Hinsicht ihre Grenzen erreicht hat, zieht Graphen ein
zunehmendes Interesse auf sich. Die gegenwärtigen Schwierigkeiten auf
dem Gebiet einer Graphenelektronik sind zunächst eine zuverlässige Herstellung
von Graphen auf isolierenden Substraten und als nächstes,
das Schneiden der elektronischen Schaltkreise mit hinreichender
Präzision.
Derzeit gibt es hierfür
kein lithographisches Verfahren. Das beste zurzeit bekannt lithographische
Verfahren ist die Elektronenstrahllithographie (EBL). Allerdings
ist es in naher Zukunft nicht möglich,
mittels Elektronenstrahllithographie einen elektronischen Schaltkreis
aus einer einzelnen Graphenschicht herzustellen.
-
In
dem Dokument
US 6,869,581
B2 ist ein Verfahren zum Schneiden von Graphen beschrieben, das
in der Form von Nanoröhren
vorliegt. Auf ein Substrat wird ein dünner Film aus Metall aufgebracht, welches
dazu geeignet ist eine katalytische Reaktion von Kohlenstoff mit
dem Sauerstoff einer umgebenden Atmosphäre zu befördern. Der auf dem Substrat aufgebrachte
Metallfilm wird einer Wärmebehandlung
unterzogen, so dass der Metallfilm zu Metallpartikelchen zusammenschmilzt.
Nachdem sich die Metallpartikelchen aus dem Metall gebildet haben,
werden auf das derart vorbereitete Substrat Nanoröhren aus
Graphen aufge bracht, indem eine Lösung, in der sich die Nanoröhren befinden,
auf das Substrat aufgesprüht
wird. In einem abschließenden
Schritt wird dann das Substrat mit den Metallpartikelchen und den
Nanoröhren
in einer Sauerstoffatmosphäre
einer Wärmebehandlung
unterzogen. An den Stellen, an denen eine Nanoröhre auf einem Metallpartikelchen zu
liegen kam, bewirkt das katalytisch aktive Metall eine Reaktion
des Kohlenstoffs in der Nanoröhre
mit dem Sauerstoff der umgebenden Atmosphäre, so dass die Nanoröhre an dieser
Stelle aufgeschnitten wird. Nachteilig an diesem Verfahren ist,
dass ein Schneiden einer Nanoröhre
nicht an einer vorgebbaren Stelle möglich ist, vielmehr unterliegt
das Schneiden der Nanoröhren
dem Zufallsprinzip. Es ist mit dem beschriebenen Verfahren nicht
möglich,
eine vorgebbare Formung eines Graphens zu erzielen.
-
Zusammenfassung der Erfindung
-
Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine verbesserte Vorrichtung zum Schneiden
von Graphen sowie ein verbessertes Verfahren zum Schneiden von Graphen
mittels einer Schneidvorrichtung, insbesondere zum flexiblen Schneiden
von Graphen, zu schaffen.
-
Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine
Schneidvorrichtung zum Schneiden von Graphen nach dem unabhängigen Anspruch
1 gelöst. Weiterhin
ist ein Verfahren zum Schneiden von Graphen mittels einer Schneidvorrichtung
nach dem unabhängigen
Anspruch 8 vorgesehen. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindungen
sind Gegenstand von abhängigen
Unteransprüchen.
-
Die
Erfindung umfasst den Gedanken einer Schneidvorrichtung zum Schneiden
von Graphen, die mit einer Aufnahme versehen ist, die konfiguriert ist,
das Graphen zum Schneiden aufzunehmen. Die Schneidvorrichtung weist
ein Schneidelement auf, das zumindest im Bereich einer Schneidspitze
mit einem katalytisch aktiven Material beladen ist sowie eine Verlagerungseinrichtung,
die konfiguriert ist, die Aufnahme und das Schneidelement mit der
Schneidspitze relativ zueinander zu verlagern. Unter „katalytisch
aktivem Material” wird
im Folgenden insbesondere ein Material verstanden, das eine Reaktion
des Kohlenstoffs im Graphen mit einem weiteren Stoff, beispielsweise
einem das Graphen umgebenden Sauerstoff, befördert. Das „Befördern einer Reaktion” bedeutet
hier insbesondere eine Beschleunigung der Reaktion oder eine Verringerung
der Aktivierungsenergie für
den Beginn der Reaktion. Es ist eine Heizvorrichtung vorgesehen,
die konfiguriert ist, beim Schneiden des Graphens Wärmeenergie
für eine
katalytische Reaktion des Graphens im Bereich einer Schneidbahn
unter Beteiligung des katalytisch aktiven Materials bereitzustellen.
-
Damit
ist ein flexibles Schneiden von Graphen ermöglicht, so dass insbesondere
vorgebbare Konturen für
Schnitte in Graphen realisiert werden können. Somit ist es beispielsweise
möglich,
eine elektronische Schaltung auf der Basis von Graphen herzustellen.
-
In
einer bevorzugten Ausführungsform
kann bei dem Schneidelement das katalytisch aktive Material auf
einer Oberfläche
der Schneidspitze angeordnet sein. In einer alternativen Ausführungsform
kann bei dem Schneidelement die Schneidspitze wenigstens abschnittsweise
aus dem katalytisch aktiven Material gebildet sein.
-
Eine
bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Schneidelement
mit einer Spitze eines Sondenmikroskops gebildet ist. Dies kann
vorteilhaft eine geeignet geformte Spitze, beispielsweise eine Cantileverspitze
eines Rasterkraftmikroskops oder eine Spitze eines Rastertunnelmikroskops,
sein. Dabei kann es ferner vorteilhaft sein vorzusehen, dass die
Spitze vollständig
aus einem katalytisch aktiven Material gefertigt ist. Damit kann
beispielsweise ein Problem unterschiedlicher thermischer Ausdehnungen
zumindest abgemildert werden, welches bei der Verwendung von Materialien
mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten auftreten
kann. Dies kann insbesondere verhindern, dass ein Problem hinsichtlich
einer Verunreinigungsschicht auf dem Graphen auftritt. Beispielsweise
wird die Spitze vollständig
aus Wolfram gefertigt, es können
aber auch andere katalytisch aktive Materialien wie beispielsweise
Metalle oder Legierungen davon vorgesehen sein.
-
In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
kann das katalytisch aktive Material wenigstens Silberpartikel oder
wenigstens Wolframpartikel umfassen. Es werden aber auch beispielsweise
die Metalle Gold, Kupfer, Blei, Kalium, Barium, Kalcium, Natrium,
Lithium, Vanadium, Nickel oder Legierungen davon erwogen, wie auch
beispielsweise eine Verwendung eines oder mehrerer Metalloxyde.
Es ist bevorzugt, dass das ausgewählte katalytisch aktive Material
die Umwandlung des Kohlenstoffs im Graphen insbesondere in flüchtige Kohlenstoffverbindungen ermöglicht,
wie beispielsweise CO oder CO2 bei der Anwesenheit
von gasförmigem
Sauerstoff, es wird aber auch die Bildung anderer flüchtiger
Kohlenstoffverbindungen auf der Grundlage einer Reaktion mit einem
geeigneten Reaktionspartner wie beispielsweise Wasserstoff oder
Wasserdampf erwogen.
-
Bei
einer zweckmäßigen Ausgestaltung kann
die Heizvorrichtung konfiguriert sein, eine Reaktionstemperatur
für die
katalytische Reaktion in einem Bereich zwischen 500°C und 1000°C, vorzugsweise
zwischen 600°C
und 900°C,
weiter bevorzugt zwischen 650°C
und 800°C
einzustellen. Dies kann beispielsweise erreicht werden, indem eine
Temperatur des Graphens an dem Bereich, wo es als nächstes zu
schneiden ist, entsprechend erhöht
wird. Es ist aber auch möglich,
das Schneidelement oder die Schneidspitze direkt mittels der Heizvorrichtung
aufzuheizen, so dass ein Schneiden des Graphens auf der Grundlage
der katalytischen Reaktion, wie oben beschrieben, ermöglicht ist.
Es kann auch vorgesehen sein, dass die Heizvorrichtung sowohl das Schneidelement
als auch das zu schneidende Graphen aufheizt.
-
In
einer vorteilhaften Ausführungsform
kann die Heizvorrichtung als Heizmittel einen Laser umfassen. Ein
Strahl des Lasers kann derart abgelenkt und geführt werden, dass er den gewünschten
Bereichen flexibel die Wärmeenergie
für die
katalytische Reaktion bereitstellt.
-
Ein
Aspekt der Erfindung sieht ein Verfahren zum Schneiden von Graphen
mittels einer Schneidvorrichtung vor. Gemäß diesem Verfahren wird zunächst das
Graphen auf einer Aufnahme in der Schneidvorrichtung bereitgestellt.
Das Graphen kann beispielsweise auf einem isolierenden Substrat
vorliegen. Hernach wird ein Schneidelement, bei dem wenigstens eine
Schneidspitze mit einem katalytisch aktiven Material beladen ist,
an das Graphen herangeführt.
Es wird eine Heizvorrichtung betrieben, um für das Schneiden des Graphens
Wärmeenergie
für eine
katalytische Reaktion bereitzustellen. Um das Graphen entlang einer
vorbestimmten Bahn zu schneiden, werden die Aufnahme und das Schneidelement
relativ zueinander entlang einer Schneidbahn verlagert. Ein Schneiden
des Graphens entlang der Schneidbahn wird bewirkt, indem unterstützt von dem
katalytisch aktiven Material und der Wärmeenergie die katalytische
Reaktion im Graphen entlang der Schneidbahn stattfindet. Im Übrigen kann
das Verfahren zum Schneiden von Graphen insbesondere mittels der
zuvor beschriebenen Schneidvorrichtung und den verschiedenen Ausführungsformen durchgeführt werden.
-
Mit
der Schneidvorrichtung zum Schneiden von Graphen und dem Verfahren
zum Schneiden von Graphen mittels einer Schneidvorrichtung ist es
möglich,
Graphen in flexibler Weise zu schneiden. Insbesondere ist es möglich, Schnittkonturen
vorzugeben und reproduzierbar um zusetzen. Ferner können Schnitte
mit einer Rauheit von weniger als 2 nm hergestellt werden. Der Schneidvorgang
kann mit hoher Geschwindigkeit durchgeführt werden. Die Reaktionsprodukte
sind harmlos oder können
ohne Probleme harmlos gemacht werden. Ferner ist das Schneiden von
Graphen mit der Schneidvorrichtung und dem Verfahren relativ preiswert
möglich,
da keine Ultrahochvakuum-Einrichtungen erforderlich sind, wie sie
beispielsweise für
die Elektronenstrahllithographie erforderlich sind.
-
Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele
der Erfindung
-
Die
Erfindung wird im Folgenden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen
unter Bezugnahme auf Figuren einer Zeichnung näher erläutert. Hierbei zeigen:
-
1 eine
Schneidvorrichtung zum Schneiden von Graphen in schematischer Darstellung,
-
2a eine
weitere schematische Darstellung eines Schneidvorgangs mit einem
Schneidelement der Schneidvorrichtung,
-
2b eine
schematische Darstellung zur Erläuterung
des Zusammenhangs zwischen einer Graphendicke, einem Krümmungsradius
des Schneidelements an seiner Schneidspitze und der erzielten Breite
eines Schnittes und
-
3a–g experimentelle
Ergebnisse sowie eine weitere schematische Darstellung eines Schneidvorgangs
in einer Ausführungsform.
-
1 zeigt
eine Schneidvorrichtung zum Schneiden von Graphen. Eine Aufnahme 10 ist
dazu konfiguriert, das Graphen 19 zum Schneiden aufzunehmen.
Das Graphen 19 ist beispielsweise auf einem isolierenden
Substrat 20 angeordnet. Ein Schneidelement 12 ist
zumindest im Bereich einer Schneidspitze mit einem katalytisch aktiven
Material beladen. Die Schneidspitze des Schneidelements 12 ist
in dieser Ausführungsform
wenigstens abschnittsweise aus dem katalytisch aktiven Silber gebildet.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass bei dem Schneidelement das
katalytisch aktive Material lediglich auf einer Oberfläche der
Schneidspitze angeordnet ist. Ferner können als katalytisch aktive
Materialien auch Gold, Kupfer, Wolfram oder Blei in Frage kommen. Das
Schneidelement ist mit einer Spitze 12 eines Sondenmikroskops
(hier nicht gezeigt) gebildet. Eine Verlagerungseinrichtung (hier
nicht gezeigt), die beispielsweise mittels des Sondenmikroskops
bereitgestellt ist, ist konfiguriert, die Aufnahme 10 und
das Schneidelement 12 relativ zueinander zu verlagern. Ferner
umfasst die Schneidvor richtung eine Heizvorrichtung 14,
die konfiguriert ist, beim Schneiden des Graphens 19 Wärmeenergie
für eine
katalytische Reaktion des Graphens im Bereich einer Schneidbahn unter
Beteiligung des katalytisch aktiven Materials bereitzustellen. Die
Heizvorrichtung 14 kann als Heizmittel einen Laser 16 umfassen,
dessen Strahl auf das Schneidelement 12 richtbar ist. Es
ist aber auch möglich,
vorzusehen, dass der Laserstrahl auf das Graphen 19 in
den als nächstes
zu schneidenden Bereich strahlt oder abwechselnd beides aufheizt.
Die Heizvorrichtung 14, wie beispielsweise der Laser 16,
ist konfiguriert, eine Reaktionstemperatur für die katalytische Reaktion
in einem Bereich zwischen 500°C
und 1000°C,
vorzugsweise zwischen 600°C
und 900°C,
weiter bevorzugt zwischen 650°C und
800°C einzustellen.
-
2a verdeutlicht
einen Schneidvorgang mit einem Schneidelement einer Schneidvorrichtung. Gleiche
oder ähnliche
Bezugszeichen bedeuten im Folgenden gleiche oder ähnliche
Komponenten. In 2a ist dargestellt, wie mittels
eines Schneidelements 12 entlang einer vorgegebenen Bahn 17 ein Schnitt 17 in
einem Graphen 19 hergestellt wird. Dabei wird im Einzelnen
wie folgt vorgegangen. Zunächst
wird das Graphen 19 auf einer Aufnahme (hier nicht gezeigt)
in der Schneidvorrichtung bereitgestellt. Das Graphen 19 kann
beispielsweise auf einem isolierenden Substrat vorliegen (hier nicht
gezeigt). Hernach wird das Schneidelement 12, bei dem wenigstens
eine Schneidspitze mit einem katalytisch aktiven Material beladen
ist, an das Graphen 19 herangeführt. Es wird eine Heizvorrichtung
betrieben (hier nicht gezeigt), um für das Schneiden des Graphens
Wärmeenergie
für eine
katalytische Reaktion bereitzustellen. Um das Graphen 19 entlang
einer vorbestimmten Bahn zu schneiden, werden die Aufnahme und das
Schneidelement 12 relativ zueinander entlang einer Schneidbahn
verlagert. Ein Schneiden des Graphens 19 entlang der Schneidbahn 17 wird
bewirkt, indem unterstützt
von dem katalytisch aktiven Material und der Wärmeenergie die katalytische
Reaktion im Graphen entlang der Schneidbahn 17 stattfindet.
Im Übrigen
kann das Verfahren zum Schneiden von Graphen insbesondere mittels
der zuvor beschriebenen Schneidvorrichtung durchgeführt werden.
-
2b zeigt
eine schematische Darstellung zur Erläuterung des Zusammenhangs zwischen
einer Höhe
h eines auf einem Substrat
20 befindlichen Graphens
19,
einem Krümmungsradius
R einer Schneidspitze eines Schneidelements
12 und einer Breite
w des geschaffenen Grabens. Die Breite w des geschaffenen Grabens
kann so aufgrund geometrischer Überlegungen
gemäß
abgeschätzt werden. Derzeit verfügbare Schneidelementspitzen weisen
einen Radius R von etwa 1 nm auf, als Höhe h einer Graphenschicht wird
der Zwischenschichtabstand in hoch-orientiertem pyrolitischem Graphit
von etwa 0,34 nm angesetzt, so dass sich für eine Breite w des geschaffenen
Grabens im Graphen eine Abschätzung
von etwa 1,5 nm ergibt.
-
3a zeigt
von einer Seite wie ein Partikel 102 einen Graben 17' in eine auf
einer Basisschicht 110 angeordneten Graphenschicht 19 einarbeitet. Dieser
Vorgang tritt in einem wie folgt beschriebenen Experiment auf. Auf
hochorientiertem pyrolytischem Graphit (HOPG) wurden katalytisch
aktive Nanopartikel aus einer wässrigen
Lösung
mit katalytisch aktiven Metallsalzen gebildet. Die Nanopartikel
sammeln sich zum größten Teil
an Defekten der Graphitoberflächen
an, wie beispielsweise an Stufenkanten. Nach einem Glühen der
Probe in einem auf 650°C vorgeheizten
Ofen für
eine Dauer von bis zu einer Minute wurden die HOPG-Proben gekühlt und
mit einem Rasterkraftmikroskop (SFM) oder mit einem Rastertunnelmikroskop
(STM) untersucht. Die Beobachtungen ergaben, dass die Nanopartikel
relativ lange Kanäle
oder Gräben
in den HOPG-Proben gebildet haben. Hochauflösende STM-Aufnahmen der Kanäle zeigen, dass die Kanten
der Kanäle
sehr glatt sind, wobei eine Rauheit unterhalb von 2 nm liegt. Dieser
Effekt wird wie folgt erklärt.
Kohlenstoffatome an den Kanten von Graphen neigen in einem höheren Maße zur Oxydation
als Kohlenstoffatome innerhalb des Graphens. Daher beschleunigt
ein an der Graphenkante angeordnetes Partikel in einem hohen Maße die Oxydation
von benachbarten Kohlenstoffatomen an der Kante, während Kohlenstoffatome
in der Graphenschicht unterhalb des Partikels nicht oxydieren. Das
katalytisch aktive Partikel bewegt sich in die darunter liegende
Graphenschicht, wobei es das Graphen vor sich quasi verbrennt und
gleichzeitig einen Graben hinter sich lässt. Die Geschwindigkeit der
Bewegung des Partikels ist in einem großen Maße von dem Material und der
Größe des Partikels
abhängig.
Die Geschwindigkeit der Bewegung des Partikels kann aber auch von
einem Umgebungsdruck, beispielsweise dem Druck des Reaktionspartners,
also des umgebenden Gases oder Dampfes, abhängig sein. 3a zeigt
die Vorgänge bei
der katalytischen Reaktion im Detail. Ein katalytisch aktives Partikel 102,
das sich an einer Stufenkante 104 des HOPG befindet, lässt Sauerstoffmoleküle auf seiner
Oberfläche
durch Chemisorption anlagern, 103, wobei sich atomarer
Sauerstoff bildet. Der atomare Sauerstoff diffundiert in Richtung
der Graphenkante 104 und reagiert mit den das Partikel berührenden
Kohlenstoffatomen bei 104. Gasförmige Reaktionsprodukte desorbieren, 105,
und das Partikel folgt der zurückweichenden
Graphenkante 17''.
-
3b zeigt
eine obere Ansicht des von einem katalytisch aktiven Partikel 102 hinterlassenen Grabens 17'. Das anfänglich an
der Stufenkante befindliche Partikel (angezeigt durch die gestrichelte Kontur)
bewegt sich durch die Graphenschichten, wobei es einen Graben 17' hinter sich
lässt.
-
3c zeigt
ein katalytisch aktives Partikel 102, das sich in einer
Zickzackbewegung 17' durch ein
HOPG-Material gegraben hat sowie ein erheblich kleineres katalytisch
aktives Partikel 102',
das sich geradlinig 17''' durch das HOPG gegraben hat. 3d zeigt
im Detail einen von einem katalytisch aktiven Partikel erzeugten
Graben 17'.
Hierbei ist zu erkennen, dass der Graben 17' eine geringe innere Rauhigkeit
aufweist. Die sich ergebende innere Rauhigkeit weist einen Wert
in der Größenordnung
von zwei Nanometern auf, wie durch hochauflösende STM-Aufnahmen nachgewiesen
wurde.
-
3e ist
eine weitere Darstellung einer Schneidvorrichtung, bei der ein Laserstrahl 116 einer als
Heizmittel einen Laser umfassenden Heizvorrichtung über eine
Linse 118 auf den Reaktionsbereich fokussiert wird, wo
ein an einer als Schneidelement 12 ausgebildeten Cantileverspitze 12 eines
Sondenmikroskops befindliches katalytisch aktives Material eine
Oxydation des Kohlenstoffs einer Graphenschicht 19 befördert.
-
3f und 3g zeigen
eine Skizze eines HOPG-Bereichs, wobei eine Graphenschicht 19 auf einer
anderen Graphenschicht liegt. 3f zeigt
das Ergebnis nach Bestrahlung mit einer mittleren Laserintensität, wobei
danach der Abtastbereich reduziert wurde, 112, wie mit
der gestrichelten Linie angezeigt ist, danach die Laserintensität erhöht wurde,
die Fläche
mehrfach abgetastet wurde, danach die Laserintensität wieder
auf das mittlere Niveau reduziert wurde und die Abtastfläche auf
den anfänglichen
Wert vergrößert wurde. 3g zeigt,
dass Graphen während
der Abtastung mit der hohen Laserintensität oxidiert wurde.
