DE102013220158A1

DE102013220158A1 - Method for providing graphs

Info

Publication number: DE102013220158A1
Application number: DE201310220158
Authority: DE
Inventors: Christopher Hubrich; Carsten Glanz; Ivica Kolaric
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Forderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2013-10-04
Filing date: 2013-10-04
Publication date: 2015-04-09
Anticipated expiration: 2033-10-05
Also published as: DE102013220158B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Graphen (106), wobei das Verfahren umfasst: – Bereitstellen eines Transfermaterials (100; 400), wobei das Elastizitätsmodul des Transfermaterials (100; 400) höchstens 4 GPa oder der Wärmeausdehnungskoeffizient des Transfermaterials (100; 400) höchstens 8·10–6 K–1 beträgt, – Synthese von Graphen (106) bei einer ersten Temperatur, wobei das Graphen (106) auf einem Substrat (100) synthetisiert wird, – Abkühlen des synthetisierten Graphens (106) von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur, wobei während dem Abkühlen ausschließlich das Transfermaterial (100; 400) mit dem Graphen (106) verbunden ist, – Ablösen des Graphens (106) von dem Transfermaterial (100; 400).The invention relates to a method for providing graphene (106), the method comprising: - providing a transfer material (100; 400), wherein the modulus of elasticity of the transfer material (100; 400) is at most 4 GPa or the thermal expansion coefficient of the transfer material (100; ) is at most 8 · 10-6 K-1, - synthesis of graphene (106) at a first temperature, wherein the graphene (106) is synthesized on a substrate (100), - cooling the synthesized graphene (106) from the first one Temperature to a second temperature, wherein only the transfer material (100; 400) is bonded to the graphene (106) during cooling, - releasing the graphene (106) from the transfer material (100; 400).

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bereitstellung von Graphen sowie eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Graphen.The invention relates to a method for providing graphene and to an apparatus for providing graphene.

Die Synthese von Graphen beispielsweise mittels chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition – CVD) ist aus dem Stand der Technik bekannt. Üblicherweise wird hierzu ein Substrat aufgeheizt und unter Zugabe von Methan wird die Graphenbildung ausgelöst. Anschließend wird das so hergestellte Graphen zusammen mit seinem Substrat abgekühlt. Entsprechendes ist bekannt, beispielsweise aus P. Trinsoutrot et al., Surface and Coatings Technology, 2013, 230, 87–92 sowie L. Huang, Carbon, 2012, 50, 551–556 .The synthesis of graphene by, for example, chemical vapor deposition (CVD) is well known in the art. Usually, a substrate is heated for this purpose and with the addition of methane, the graphene formation is triggered. Subsequently, the graph thus prepared is cooled together with its substrate. The corresponding is known, for example Trinsoutrot et al., Surface and Coatings Technology, 2013, 230, 87-92 such as L. Huang, Carbon, 2012, 50, 551-556 ,

Das Ablösen des hergestellten Graphens vom Substrat kann durch beispielsweise die Verwendung eines sogenannten Bubble-Transferprozesses realisiert werden. Ein solcher Prozess ist beispielsweise bekannt aus L. Eao et al., Nature Communications, DOI: 10.1038/NCOMMS1702 .The detachment of the produced graphene from the substrate can be realized by, for example, the use of a so-called bubble transfer process. Such a process is known, for example Eao et al., Nature Communications, DOI: 10.1038 / NCOMMS1702 ,

Ferner ist beispielsweise aus der US 2011/195207 A1 eine Vorrichtung zur kontinuierlichen Graphen-Herstellung unter Verwendung von CVD bekannt.Furthermore, for example, from the US 2011/195207 A1 a device for continuous graphene production using CVD known.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Verfahren und eine verbesserte Vorrichtung zur Graphen-Herstellung anzugeben. Die der Erfindung zugrunde liegenden Aufgaben werden durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Patentansprüchen angegeben.The invention has for its object to provide an improved method and an improved device for producing graphene. The objects underlying the invention are achieved by the features of the independent claims. Preferred embodiments of the invention are indicated in the dependent claims.

Es wird ein Verfahren beschrieben zur Bereitstellung von Graphen, wobei das Verfahren umfasst:

– Bereitstellen eines Transfermaterials, wobei das Elastizitätsmodul des Transfermaterials höchstens 4 GPa oder der Wärmeausdehnungskoeffizient des Transfermaterials höchstens 8·10^–6 K^–1 beträgt,
– Synthese von Graphen bei einer ersten Temperatur, wobei das Graphen auf einem Substrat synthetisiert wird,
– Abkühlen des synthetisierten Graphens von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur, wobei während des Abkühlens ausschließlich das Transfermaterial mit dem Graphen verbunden ist,
– Ablösen des Graphens von dem Transfermaterial.

A method for providing graphene is described, the method comprising:

Providing a transfer material, wherein the modulus of elasticity of the transfer material is at most 4 GPa or the thermal expansion coefficient of the transfer material is at most 8 · 10 ^-6 K ^-1 ,
Synthesis of graphene at a first temperature, wherein the graphene is synthesized on a substrate,
Cooling the synthesized graphene from the first temperature to a second temperature, wherein during the cooling only the transfer material is connected to the graphene,
Detachment of the graphene from the transfer material.

Im Rahmen der gesamten Beschreiben kann grundsätzlich eine Verbindung zwischen dem Graphen und dem zweiten Transfermaterial z. B. aufgrund einer selbständigen Haftwirkung oder Adhäsion des Graphens am Transfermaterial resultieren. Ursache könnten Van-der-Waals Bindungskräfte und/oder elektrostatische Bindungskräfte auf molekularer Ebene sein.In the context of the entire description may in principle be a connection between the graphene and the second transfer material z. B. due to an independent adhesion or adhesion of the graphene to the transfer material. Cause could be Van der Waals binding forces and / or electrostatic binding forces at the molecular level.

Ausführungsformen der Erfindung könnten den Vorteil haben, dass gewährleistet sein könnte, dass während des Abkühlens des synthetisierten Graphens das Graphen ausschließlich mit einem solchen Material in Verbindung steht, welches in der Lage ist, der aus der Wärmeausdehnung des Graphens resultierenden Größenveränderung während dem Abkühlprozess zu folgen, ohne nennenswerte mechanische Spannungen im Graphen aufzubauen. Dies könnte dazu beitragen, dass die strukturelle Ordnung des Graphens bis zur atomaren Ebene hin auch während dem Abkühlprozess nach erfolgreicher und qualitativ hochwertiger Synthese beibehalten werden kann. Hierfür verfügt entweder das Transfermaterial über ein bestimmtes Elastizitätsmodul, sodass während des Abkühlens und dem „Sichzusammenziehen” der Graphen-Schicht das Transfermaterial dieser Bewegung folgen kann.Embodiments of the invention could have the advantage of ensuring that during cooling of the synthesized graphene the graphene is exclusively associated with such material as is capable of following the dimensional change resulting from the thermal expansion of the graphene during the cooling process without building up significant mechanical stresses in the graph. This could contribute to maintaining the structural order of graphene down to the atomic level during the cooling process after successful and high-quality synthesis. For this, either the transfer material has a certain modulus of elasticity, so that during cooling and "contracting" of the graphene layer, the transfer material can follow this movement.

Alternativ ist es möglich, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient des Transfermaterials ungefähr dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Graphens entspricht. Dann könnte das „Sichzusammenziehen” von Graphen und Transfermaterial in gleicher Weise stattfinden, so dass hier ebenfalls mechanische Spannungen innerhalb der Graphenschicht vermieden werden könnten. Der besagte Wert des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Transfermaterials von höchstens 8·10^–6 K^–1 trägt dem Rechnung, dass auch ein Transfermaterial mit einem solchen Wärmekoeffizienten von 8·10^–6 K^–1 noch in der Lage sein könnte, beim Abkühlprozess des Graphens die im Graphen erzeugten Fehlstellungen und Strukturveränderungen minimal zu halten.Alternatively, it is possible for the thermal expansion coefficient of the transfer material to approximately correspond to the coefficient of thermal expansion of the graphene. Then the "contracting together" of graphene and transfer material could take place in the same way, so that here as well mechanical stresses within the graphene layer could be avoided. The said value of the coefficient of thermal expansion of the transfer material of at most 8 · 10 ^-6 K ^{-1 takes} into account that even a transfer material having such a thermal coefficient of 8 · 10 ^-6 K ^-1 might still be able to do so during the cooling process of the graphene in the graph generated misalignments and structural changes to minimize.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung findet die Synthese in einem Reaktormodul statt, wobei das Abkühlen in einem Kühlmodul erfolgt, wobei das Substrat als Band kontinuierlich dem Reaktormodul zugeführt wird, wobei das synthetisierte Graphen kontinuierlich vom Reaktormodul dem Kühlmodul zugeführt wird.According to one embodiment of the invention, the synthesis takes place in a reactor module, wherein the cooling takes place in a cooling module, wherein the substrate is fed as a continuous band to the reactor module, wherein the synthesized graphene is fed continuously from the reactor module to the cooling module.

Durch die kontinuierliche Synthese des Graphens in Bandform ist es möglich, das besagte Verfahren in einem industriellen Produktionsprozess einzusetzen. Reaktormodul und Kühlmodul können hierbei vollständig voneinander getrennt verwendet werden. Im Reaktormodul kann die Synthese von Graphen in qualitativ hochwertiger Weise vorgenommen werden, wohingegen im Kühlmodul auf einen vordefinierten Kühlprozess des Graphens zusammen mit dem Transfermaterial Wert gelegt werden kann.The continuous synthesis of graphene graphene makes it possible to use said process in an industrial production process. Reactor module and cooling module can be used completely separated from each other here. In the reactor module, the synthesis of graphene can be carried out in a high-quality manner, whereas in the cooling module value can be attached to a predefined cooling process of the graphene together with the transfer material.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Transfermaterial selbst als Synthesekatalysator für die Synthese des Graphens ausgebildet, wobei das Graphen bei der ersten Temperatur direkt auf dem Transfermaterial synthetisiert wird. Zum Beispiel wirkt für die Synthese das Transfermaterial als ausschließlicher Träger für das zu synthetisierende Graphen bei der Graphen-Synthese, wobei in diesem Fall das Substrat durch das Transfermaterial selbst gegeben ist. Dadurch könnte der Herstellungsprozess von qualitativ hochwertigem Graphen einfach und damit kostengünstig gehalten werden, da das Graphen direkt auf ein solches Material synthetisiert wird, welches beim eigentlichen Kühlprozess auch direkt am Graphen verbleiben kann. So kann zum Beispiel das unmittelbar in dem Reaktormodul erhaltene und daraufhin in heißem Zustand (Synthesetemperatur) zum Kühlmodul transportierte mit dem Graphen versehene Transfermaterial dem obig beschriebenen Abkühlprozess zugeführt werden. According to one embodiment of the invention, the transfer material itself is designed as a synthesis catalyst for the synthesis of the graphene, wherein the graphene is synthesized directly on the transfer material at the first temperature. For example, for synthesis, the transfer material acts as the exclusive support for the graphene to be synthesized in graphene synthesis, in which case the substrate is given by the transfer material itself. Thus, the production process of high-quality graphene could be kept simple and therefore cost-effective, since the graphene is synthesized directly on such a material, which can also remain directly on the graphene during the actual cooling process. Thus, for example, the graphene-containing transfer material obtained directly in the reactor module and subsequently transported to the cooling module in the hot state (synthesis temperature) may be supplied to the above-described cooling process.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Transfermaterial um eine Legierung. Bevorzugt sind hierbei z. B. Invar-Legierungen welche aufgrund ihres geringen Längenausdehnungskoeffizienten dazu beitragen könnten, die beim Abkühlen im Graphen induzierten Spannungen minimal zu halten oder vollständig zu vermeiden.According to one embodiment of the invention, the transfer material is an alloy. In this case, z. B. Invar alloys which, due to their low coefficient of linear expansion, could contribute to minimizing or completely avoiding the stresses induced in the graph during cooling.

In einer alternativen Ausführungsform wird nach der Synthese und vor dem Abkühlen das Transfermaterial auf das Graphen aufgebracht und es wird das Substrat von dem Graphen entfernt. Es könnte also in dieser Ausführungsform im Reaktormodul zunächst die Graphen-Synthese auf dem Substrat stattfinden. Bevor nun der Abkühlprozess stattfindet, wird z. B. in einem Transfermodul das Transfermaterial auf das Graphen aufgebracht und anschließenddas Substrat von dem Graphen entfernt. Auch nun ist es möglich, den Abkühlprozess des Graphens zu initiieren, da nun das Transfermaterial der durch den Abkühlprozess induzierten Längenänderung des Graphens folgen kann, ohne dass es bei der Abkühlung zu einer Beschädigung der Graphen-Schicht kommt.In an alternative embodiment, after the synthesis and before cooling, the transfer material is applied to the graphene and the substrate is removed from the graphene. Thus, in this embodiment, the graphene synthesis could initially take place on the substrate in the reactor module. Before now the cooling process takes place, z. For example, in a transfer module, transfer the transfer material to the graphene and then remove the substrate from the graph. It is also now possible to initiate the cooling process of the graphene since the transfer material can now follow the change in length of the graphene induced by the cooling process, without damage to the graphene layer during cooling.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Reaktormodul und dem Kühlmodul ein Transfermodul angeordnet, wobei das synthetisierte Graphen kontinuierlich vom Reaktormodul dem Transfermodul zugeführt wird, wobei in dem Transfermodul das Transfermaterial (insbesondere ebenfalls kontinuierlich) auf das Graphen aufgebracht wird und das Substrat (insbesondere ebenfalls kontinuierlich) von dem Graphen entfernt wird.According to one embodiment of the invention, a transfer module is arranged between the reactor module and the cooling module, wherein the synthesized graphene is fed continuously from the reactor module to the transfer module, wherein in the transfer module the transfer material (in particular also continuously) is applied to the graphene and the substrate (in particular also continuously) is removed from the graph.

Voraussetzung ist hier jedoch, dass in dem Transfermodul das Graphen nach wie vor dieselbe Temperatur aufweist, welche das Graphen auch im Reaktormodul nach der Synthese hatte. Erst nach dem Verlassen des Transfermoduls sollte im Kühlmodul die Abkühlung des synthetisierten Graphens von der ersten Temperatur auf die zweite Temperatur stattfinden.However, the prerequisite here is that in the transfer module, the graphene still has the same temperature that the graphene had in the reactor module after the synthesis. Only after leaving the transfer module should the cooling of the synthesized graphene from the first temperature to the second temperature take place in the cooling module.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist das Transfermaterial ein Polymer auf oder es handelt sich bei dem Transfermaterial um ein Polymer. Die Verwendung eines Polymers könnte mehrere Vorteile haben. Zum einen ist bei Polymeren die Einstellbarkeit der Temperaturbeständigkeit auch für die im Reaktormodul vorherrschenden Temperaturen möglich. Zum zweiten könnten Polymere synthetisiert werden, welche nebst vordefinierter Temperaturbeständigkeit auch vordefinierte elastische Eigenschaften haben. Dies ermöglicht, ein Polymer zu verwenden, welches ein Elastizitätsmodul aufweist, welches bei mechanischem Kontakt zu Graphen bei Abkühlung des Graphens eine Beschädigung der Struktur des Graphens verhindert. Während sich also das Graphen beim Abkühlen zusammenzieht, kann das Polymer diesem „Schrumpfungsprozess” des Graphens elastisch folgen.According to one embodiment of the invention, the transfer material comprises a polymer or the transfer material is a polymer. The use of a polymer could have several advantages. On the one hand, the adjustability of the temperature resistance of polymers is also possible for the temperatures prevailing in the reactor module. Secondly, polymers could be synthesized which, in addition to predefined temperature resistance, also have predefined elastic properties. This makes it possible to use a polymer having a modulus of elasticity which, upon mechanical contact with graphene upon cooling of the graphene, prevents damage to the structure of the graphene. Thus, as the graphene contracts on cooling, the polymer can elastically follow this "shrinking process" of graphene.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung weist das Substrat Kupfer auf. Die Verwendung von Kupfer als Substrat könnte den Vorteil haben, dass zunächst aufgrund der hohen mechanischen Stabilität von Kupfer die kontinuierliche Graphen-Herstellung in insbesondere industriellem Maßstab vereinfacht wird. Kupfer kann in Band-Form von einer entsprechenden Abrollvorrichtung kontinuierlich dem Reaktormodul zur Verfügung gestellt werden. Außerdem ist Kupfer ein guter Katalysator für die Synthese von Graphen und es besitzt eine ausgezeichnete Wärmeleitfähigkeit, sodass eine gleichmäßige Graphen-Synthese auf der Kupferoberfläche im Reaktormodul gewährleistet sein könnte.According to one embodiment of the invention, the substrate comprises copper. The use of copper as a substrate could have the advantage that, first of all, owing to the high mechanical stability of copper, continuous graphene production is simplified, in particular on an industrial scale. Copper can be continuously supplied to the reactor module in band form by a corresponding unwinding device. In addition, copper is a good catalyst for the synthesis of graphene and has excellent thermal conductivity so that even graphene synthesis on the copper surface in the reactor module could be ensured.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung haftet das Graphen selbständig bei der ersten Temperatur am Transfermaterial an. Z. B. ist das Transfermaterial so ausgebildet, dass diese Haftung bei der ersten Temperatur stattfindet. Unter einem nachfolgenden z. B. Bubble-Transferprozess kann, wie obig beschrieben, daraufhin das Ablösen des Substrats vom Graphen bewirkt werden. Während des Ablöseprozesses bleibt das Transfermaterial am Graphen selbständig haften und nach dem vollständigen Ablösen des Substrats vom Graphen kann der Abkühlprozess von Graphen und Transfermaterial stattfinden.According to one embodiment of the invention, the graphene adheres to the transfer material independently at the first temperature. For example, the transfer material is formed so that this adhesion takes place at the first temperature. Under a subsequent z. B. Bubble transfer process, as described above, then the detachment of the substrate are caused by the graph. During the stripping process, the transfer material adheres to the graphene on its own and after the complete detachment of the substrate from the graphene, the cooling process of graphene and transfer material can take place.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist die Haftfähigkeit des Graphens am Transfermaterial im Zustand einer ersten Dehnung des Transfermaterials höher als im Zustand einer zweiten Dehnung des Transfermaterials, wobei die erste Dehnung kleiner ist als die zweite Dehnung, wobei während dem Aufbringen des Transfermaterials auf das Graphen das Transfermaterial den Zustand der ersten Dehnung aufweist, wobei nach dem Abkühlen und vor dem Ablösen des Graphens von dem Transfermaterial das Transfermaterial von dem Zustand der ersten Dehnung in den Zustand der zweiten Dehnung überführt wird.According to one embodiment of the invention, the adhesiveness of the graphene to the transfer material is higher in a state of first elongation of the transfer material than in a state of second elongation of the transfer material, the first elongation being smaller than the second elongation, during the application of the transfer material to the graphene Transfer material has the state of the first elongation, wherein after cooling and before detaching the graphene from the transfer material, transferring the transfer material from the state of the first elongation to the state of the second elongation.

Durch die besagte Überführung des Transfermaterials von dem Zustand der ersten Dehnung in den Zustand der zweiten Dehnung kann damit automatisch die Haftfähigkeit des Graphens am Transfermaterial minimiert werden, sodass daraufhin eine einfache Ablösung des Transfermaterials am Graphen möglich ist.By means of said transfer of the transfer material from the state of the first stretch to the state of the second stretch, the adhesion of the graphene to the transfer material can thus be automatically minimized, so that a simple detachment of the transfer material on the graphene is then possible.

Eine alternative Variante zur Ablösung des Transfermaterials vom Graphen könnte im Auflösen des Transfermaterials oder eines das Graphen und das Transfermaterials verbindenden Haftvermittlers durch ein entsprechendes Lösungsmittel liegen. Beispielsweise könnte, wenn es sich bei dem Transfermaterial um ein Polymer handelt, ein entsprechendes Lösungsmittel wie Aceton oder Ähnliches eingesetzt werden, sodass daraufhin das Transfermaterial automatisch vom Graphen aufgrund einer Auflösungserscheinung des Transfermaterials entfernt wird. Wird lediglich der Haftvermittler (also ein Klebstoff) aufgelöst, könnte anschließend das Transfermaterial erneute Verwendung zur Unterstützung des Abkühlprozesses von weiterem Graphen finden. Kommt ein Haftvermittler zum Einsatz, muss dieser vor dem Aufbringen des Transfermaterials oder zusammen mit dem Transfermaterial auf das Graphen aufgebracht werden.An alternative variant for detaching the transfer material from the graphene could be dissolving the transfer material or an adhesion promoter which connects the graphene and the transfer material by means of a suitable solvent. For example, if the transfer material is a polymer, a corresponding solvent such as acetone or the like could be used, and then the transfer material is automatically removed from the graph due to a dissolution phenomenon of the transfer material. If only the adhesion promoter (ie, an adhesive) is dissolved, then the transfer material could then be reused to assist the cooling process of more graphene. If a bonding agent is used, it must be applied to the graphene before application of the transfer material or together with the transfer material.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung wird das Graphen nach dem Abkühlen auf ein Trägermaterial aufgebracht, wobei zumindest nach dem Abkühlen und vor dem Ablösen des Graphens von dem Transfermaterial die Haftfähigkeit des Graphens am Trägermaterial höher ist als die Haftfähigkeit des Graphens am Transfermaterial. Damit findet ein selbständiges Anhaften des Graphens am Trägermaterial statt, sodass daraufhin das Transfermaterial vom Graphen abgelöst werden kann, ohne dass es zu einem Abheben des Graphens vom Trägermaterial und damit zu einer etwaigen ungewollten Beschädigung des Graphens und dessen Struktur kommt. So ist es zum Beispiel möglich, das Transfermaterial in dem Zustand der zweiten Dehnung vom Graphen abzulösen, wenn die Haftfähigkeit des Graphens am Trägermaterial höher ist als die Haftfähigkeit des Graphens am Transfermaterial, wenn sich das Transfermaterial in dem Zustand der zweiten Dehnung befindet.According to one embodiment of the invention, the graphene is applied after cooling on a carrier material, wherein at least after cooling and before the separation of the graphene from the transfer material, the adhesion of the graphene to the substrate is higher than the adhesion of the graphene to the transfer material. Thus, an independent adhesion of the graphene takes place on the carrier material, so that then the transfer material can be detached from the graphene, without resulting in a lifting of the graphene from the substrate and thus to any unwanted damage to the graphene and its structure. For example, it is possible to peel off the transfer material in the state of second elongation from the graphene when the adhesiveness of the graphene to the substrate is higher than the adhesiveness of the graphene to the transfer material when the transfer material is in the state of second elongation.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung ist das Transfermaterial auf einer Oberfläche einer Walze angeordnet, wobei die Walze um ihren Umfang verteilte Segmente aufweist, wobei die Segmente zur radialen Abstützung des Transfermaterials ausgebildet sind, wobei die Segmente in radialer Richtung der Walze gesehen beweglich sind. Dies könnte den Vorteil haben, dass durch die Segmente die in Umfangsrichtung wirkende mechanische Spannung des Transfermaterials in vordefinierter Weise auch während des Abkühlprozesses aufrechterhalten werden kann. Beispielsweise könnte die in radialer Richtung der Walze gesehene Beweglichkeit der Segmente aktorisch aktiv gesteuert werden oder alternativ über Federelemente wie Druckfedern reguliert werden. Führt nun also während des Abkühlprozesses das Graphen eine „Schrumpfung” seiner Struktur durch, wird das Transfermaterial versuchen, dieser Strukturänderung zu folgen, indem es sich ebenfalls zusammenzieht (entweder maßgeblich aufgrund seines Wärmeausdehnungskoeffizienten oder aufgrund seiner elastischen Eigenschaften). Dadurch, würde in Umfangsrichtung der Walze gesehen die auf das Transfermaterial wirkende Spannung erhöht werden. Durch ein Einfahren der Segmente in radialer Richtung der Walze gesehen kann nun dieser Spannung wieder nachgegeben werden.According to one embodiment of the invention, the transfer material is arranged on a surface of a roller, the roller having segments distributed around its circumference, wherein the segments are designed for radial support of the transfer material, the segments being movable in the radial direction of the roller. This could have the advantage that the circumferentially acting mechanical stress of the transfer material can be maintained in a predefined manner by the segments during the cooling process. For example, the mobility of the segments seen in the radial direction of the roller could be actively controlled in an active manner or alternatively be regulated via spring elements such as compression springs. If, during the cooling process, the graph shrinks its structure, the transfer material will try to follow this structural change by contracting as well (either due to its coefficient of thermal expansion or due to its elastic properties). As a result, viewed in the circumferential direction of the roller, the voltage acting on the transfer material tension would be increased. Seen by retracting the segments in the radial direction of the roller can now be given this voltage again.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren das Überführen des Transfermaterials von dem Zustand der ersten Dehnung in den Zustand der zweiten Dehnung durch die Bewegung eines oder mehrerer der Segmente in der radialen Richtung. Durch gezielte Bewegung der Segmente ist es damit möglich, das Transfermaterial von dem Zustand der ersten Dehnung in den Zustand der zweiten Dehnung an einer bestimmten Position der Walze zu überführen, sodass an dieser Position ein vorzugsweise selbständiges Ablösen des Graphens vom Transfermaterial aufgrund der induzierten Dehnung des Transfermaterials stattfindet.According to one embodiment of the invention, the method comprises transferring the transfer material from the state of first elongation to the state of second elongation by moving one or more of the segments in the radial direction. By targeted movement of the segments, it is thus possible to transfer the transfer material from the state of the first elongation in the state of the second elongation at a certain position of the roller, so that at this position a preferably independent separation of the graphene from the transfer material due to the induced strain of the Transfer material takes place.

Nach einer Ausführungsform der Erfindung umfasst das Verfahren ferner die Verwendung einer Heizvorrichtung für das Substrat zur Erhitzung des Substrats auf die erste Temperatur, wobei die Heizvorrichtung mehrere Heizelemente aufweist, wobei das Verfahren ferner umfasst:

– Detektion der Temperatur des Substrats für mehrere vordefinierte Bereiche des Substrats,
– Regelung der durch die Heizelemente bewirkten Erhitzung des Substrats in Abhängigkeit von der detektierten Temperatur, wobei die Regelung individuell für die vordefinierten Bereiche erfolgt, wobei die Regelung für eine identische Erwärmung der vordefinierten Bereiche auf die erste Temperatur erfolgt.

According to an embodiment of the invention, the method further comprises using a heater for the substrate to heat the substrate to the first temperature, wherein the heater has a plurality of heating elements, the method further comprising:

Detecting the temperature of the substrate for a plurality of predefined regions of the substrate,
- Regulation of the heating caused by the heating elements of the substrate as a function of the detected temperature, wherein the control is done individually for the predefined areas, wherein the control for an identical heating of the predefined areas is carried out to the first temperature.

Vorzugsweise handelt es sich bei den vordefinierten Bereichen um eine Vielzahl von Bereichen, die unmittelbar aneinander angrenzen. Durch die besagte rückgekoppelte Regelung ist es möglich, das Substrat auch über eine große Substratfläche gleichmäßig zu erhitzen. Diese gleichmäßige Erhitzung könnte ein Garant dafür sein, dass die Qualität des hergestellten Graphens gleichmäßig über das gesamte Substrat ist. Für z. B. jeden der Bereiche wird die Temperatur dieses Bereichs ermittelt und anschließend erfolgt dann in Abhängigkeit von der detektierten Temperatur die Regelung der Erhitzung des Substrats.The predefined regions are preferably a multiplicity of regions which adjoin one another directly. The said feedback control makes it possible to heat the substrate evenly over a large substrate area. This uniform heating could be a guarantee that the quality of the produced graphene is uniform over the entire substrate. For z. For example, each of the areas the temperature of this area is determined and then, depending on the detected temperature, then the regulation of the heating of the substrate takes place.

In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Bereitstellung von Graphen, wobei die Vorrichtung umfasst:

– Mittel zum Bereitstellen eines Transfermaterials, wobei das Elastizitätsmodul des Transfermaterials höchstens 4 GPa oder der Wärmeausdehnungskoeffizient des Transfermaterials höchstens 8·10^–6 K^–1 beträgt,
– Synthesemittel zur Synthese von Graphen bei einer ersten Temperatur, wobei das Graphen auf einem Substrat synthetisierbar ist,
– Kühlmedium zum Abkühlen des synthetisierten Graphens von der ersten Temperatur auf eine zweite Temperatur, wobei während des Abkühlens ausschließlich das Transfermaterial mit dem Graphen verbunden ist,
– Mittel zum Ablösen des Graphens von dem Transfermaterial.

In another aspect, the invention relates to an apparatus for providing graphene, the apparatus comprising:

Means for providing a transfer material, wherein the modulus of elasticity of the transfer material is at most 4 GPa or the thermal expansion coefficient of the transfer material is at most 8 · 10 ^-6 K ^-1 ,
Synthesis means for the synthesis of graphene at a first temperature, wherein the graphene is synthesizable on a substrate,
Cooling medium for cooling the synthesized graphene from the first temperature to a second temperature, wherein during the cooling only the transfer material is connected to the graphene,
- means for releasing the graphene from the transfer material.

Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:In the following, preferred embodiments of the invention are explained in more detail with reference to the drawings. Show it:

1 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zum Bereitstellen von Graphen, 1 a schematic view of a device for providing graphs,

2 eine schematische Ansicht eines Reaktormoduls zur Herstellung von Graphen, 2 a schematic view of a reactor module for the production of graphene,

3 eine schematische Übersicht zu Schritten zum Transfer-Graphen, 3 a schematic overview of steps for the transfer graph,

4 eine alternative schematische Übersicht zu Schritten zum Transfer von Graphen, 4 an alternative schematic overview of steps for the transfer of graphene,

5 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung, um Graphen von einem Substrat auf ein Trägermaterial zu transferieren, 5 a schematic view of an apparatus for transferring graphene from a substrate to a substrate,

6 eine schematische Ansicht eines Substrats, unterteilt in verschiedene Heizbereiche. 6 a schematic view of a substrate, divided into different heating areas.

Im Folgenden werden einander ähnliche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Hereinafter, similar elements will be denoted by the same reference numerals.

Die 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Synthese von Graphen. Hierzu wird zunächst ein Substrat in Form zum Beispiel eines Kupferbandes 100 über Rollen 111, 112 einem Reaktormodul 102 zugeführt. Im Reaktormodul 102 erfolgt in nicht in 1 näher ersichtlicher Weise eine Synthese von Graphen auf der Oberfläche des Kupfersubstrats. Um eine solche Synthese beispielsweise mittels CVD durchzuführen, muss zuvor eine Erhitzung des Kupfersubstrats stattfinden, welche ebenfalls im Reaktormodul 102 stattfinden kann.The 1 shows a schematic view of an apparatus for the synthesis of graphene. For this purpose, first a substrate in the form of, for example, a copper strip 100 about roles 111 . 112 a reactor module 102 fed. In the reactor module 102 done in not in 1 More specifically, a synthesis of graphene on the surface of the copper substrate. In order to carry out such a synthesis, for example by means of CVD, a heating of the copper substrate must take place beforehand, which also takes place in the reactor module 102 can take place.

Nach erfolgreicher Synthese des Graphens auf dem Kupfersubstrat soll nun gewährleistet werden, dass das Graphen wieder auf Zimmertemperatur abgekühlt wird, um so einen Transport des Graphens für eine weitere Verwendung (zum Beispiel der Herstellung von Elektronikbauteilen) zu ermöglichen.After successful synthesis of the graphene on the copper substrate is now to ensure that the graphene is cooled back to room temperature, so as to allow a transport of graphene for further use (for example, the production of electronic components).

Während des Abkühlprozesses findet aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizients von Graphen eine Art Schrumpfungsprozess des Graphens statt, sodass sich dessen Struktur aufgrund der Abnahme der Wärmeausdehnung verändert. Wären nun der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats und der Wärmeausdehnungskoeffizient von Graphen sehr unterschiedlich, so würde der Schrumpfungsprozess von Graphen ein anderer sein als der Schrumpfungsprozess des Substrats. Dadurch könnte es zu Verwerfungen und Ausbildung von Fehlstellen im Graphen kommen.During the cooling process, due to the thermal expansion coefficient of graphene, a kind of shrinkage process of graphene occurs, so that its structure changes due to the decrease in thermal expansion. Now, if the thermal expansion coefficient of the substrate and the thermal expansion coefficient of graphene were very different, the shrinkage process of graphene would be different from the shrinkage process of the substrate. This could lead to distortions and the formation of defects in the graph.

Um dieses zu vermeiden wird vorgeschlagen, im noch heißen Zustand des Graphens, das heißt bei jener Temperatur, bei welcher das Graphen auch auf das Substrat 100 aufsynthetisiert wurde, das Graphen 106 mit einem Transfermaterial 400 zu versehen. Dies erfolgt durch ein Transfermodul 105. In diesem Transfermodul wird das Transfermaterial 400 auf das Graphen 106 aufgebracht, sodass anschließend bei immer noch der Synthesetemperatur in dem mit Bezugszeichen 104 gekennzeichneten Bereich des Transfermoduls 105 eine Ablösung des Substrats 100 von dem Graphen 106 stattfinden kann, welches selbst wiederum aufgrund von Adhäsionskräften mit dem Transfermaterial verbunden ist. Das Transfermaterial 400 kann von einer Rolle 107 abgerollt und bereitgestellt werden.In order to avoid this, it is proposed, in the still hot state of graphene, that is, at that temperature at which the graphene also on the substrate 100 was synthesized, the graph 106 with a transfer material 400 to provide. This is done by a transfer module 105 , In this transfer module is the transfer material 400 on the graph 106 applied, so then at still the synthesis temperature in the reference numeral 104 marked area of the transfer module 105 a detachment of the substrate 100 from the graph 106 can take place, which in turn is itself connected due to adhesion forces with the transfer material. The transfer material 400 can from a roll 107 unrolled and deployed.

Das Separieren von Graphen und Substrat kann beispielsweise durch einen Bubble-Transferprozess erfolgen. Dadurch ergibt sich in der Transportrichtung 101 nach rechts gesehen hinter dem Transfermodul 105 und dem besagten Bereich 104 eine Auftrennung von Substrat (Band 100) und dem am Transfermaterial 400 anhaftenden Graphen 106.The separation of graphene and substrate can be done for example by a bubble transfer process. This results in the transport direction 101 to the right behind the transfer module 105 and the said area 104 a separation of substrate (Band 100 ) and the transfer material 400 adhering graph 106 ,

In der 1 läuft das Band mit dem Substrat 100 von links nach rechts kontinuierlich weiter in Richtung 101. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Produktionsprozess von Graphen, sowie der beschriebe Transferprozess kontinuierlich und mit einer konstanten Bandgeschwindigkeit ablaufen können.In the 1 the tape runs with the substrate 100 from left to right continuously in the direction of 101 , It should be noted at this point that the production process of graphene, as well as the described transfer process can proceed continuously and at a constant belt speed.

Nachdem nun also das in Richtung 101 laufende Substratband 100 vom Graphen 106 abgetrennt wurde, kann es auf einer Rolle 108 aufgerollt werden. Das aufgerollte Substrat kann anschließend zur Weiterverwendung einer erneuten Graphen-Synthese vorgeführt werden. So ist es möglich, dass es sich bei der Rolle 108 lediglich um eine Umlenkrolle handelt, sodass das Substrat 100 unmittelbar wieder zurückgeführt wird, um im Reaktormodul 102 zur Graphen-Synthese verwendet zu werden.So now that's in the direction 101 running substrate band 100 from the graph 106 it could be separated on a roll 108 be rolled up. The rolled up substrate can subsequently be demonstrated for further use of a new graphene synthesis. So it is possible that it is in the role 108 only a deflection roller, so that the substrate 100 immediately returned to the reactor module 102 to be used for graphene synthesis.

Das auf dem Transfermaterial befindliche Graphen 106 läuft weiter in Richtung 101 zu einem mit Bezugszeichen 111 gekennzeichneten weiteren Transfermodul. Zuvor wird es im Kühlmodul 130 auf eine vorbestimmte Temperatur abgekühlt, z. B. auf Zimmertemperatur. Im Transfermodul 111 wird das Graphen 106 auf ein weiteres Trägermaterial 300 ufgebracht und das Transfermaterial wird entweder als Transfermaterial 400 vom Graphen 106 abgelöst und auf einer weiteren Rolle 110 aufgerollt. Alternativ wird das Transfermaterial 400 durch ein entsprechendes Lösungsmittel aufgelöst und damit vom Graphen entfernt.The graph on the transfer material 106 continues towards 101 to one with reference number 111 marked further transfer module. Previously it will be in the cooling module 130 cooled to a predetermined temperature, for. B. at room temperature. In the transfer module 111 becomes the graph 106 on another substrate 300 The transfer material is either used as transfer material 400 from the graph 106 detached and on another role 110 rolled up. Alternatively, the transfer material 400 dissolved by an appropriate solvent and thus removed from the graph.

Das auf der Rolle 110 aufgerollte Transfermaterial kann einer weiteren Verwendung durch das Transfermodul 105 zugeführt werden. Durch entsprechende Anordnung der Rolle 110 als Umlenkrolle ist es auch möglich, das Transfermaterial 400 direkt dem Transfermodul 105 wieder zuzuführen. In diesem Fall handelt es sich bei der Rolle 107 ebenfalls um eine Umlenkrolle.That on the roll 110 Rolled transfer material may be further used by the transfer module 105 be supplied. By appropriate arrangement of the role 110 as a pulley it is also possible to transfer material 400 directly to the transfer module 105 feed again. In this case, it is the role 107 also around a pulley.

Im Bereich 120 resultiert nach dem Transfer des Graphens 106 auf das Trägermaterial 300 eine Kombination von Trägermaterial 300 und darauf befindlichem Graphen 106.In the area 120 results after the transfer of graphene 106 on the carrier material 300 a combination of carrier material 300 and graphs on it 106 ,

Die 2 zeigt eine schematische Ansicht des Reaktormoduls 102. Dabei stellt die schematische Ansicht des Reaktormoduls 102 jenen Bereich dar, welcher zwischen den Laufrollen 112 und 114 der 1 befindlich ist.The 2 shows a schematic view of the reactor module 102 , Here is the schematic view of the reactor module 102 that area which is between the rollers 112 and 114 of the 1 is located.

Bei dem Reaktormodul 102 handelt es sich um einen abgeschlossenen beheizbaren Raum, in welchen das Substratband 100 durch eine schmale schlitzförmige Öffnung eingeführt, hindurchgeführt und aus ebenfalls einer schmalen schlitzförmigen Öffnung wieder austreten kann. Das Reaktormodul 102 weist in seinem Inneren mehrere voneinander getrennte Kammern 206, 208 und 210 auf, welche in der Transportrichtung 101 gesehen hintereinander angeordnet sind. Durch diese Kammern hindurch wird das Substratband geführt. Jede dieser Kammern weist eine eigene Gaszuführung 204, 202 bzw. 200 auf. Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass die Kammern 206, 208 und 210 selbst wiederum in kleinere Unterkammern unterteilt sein können.At the reactor module 102 it is a closed heatable space in which the substrate band 100 introduced through a narrow slot-shaped opening, passed through and can also emerge from a narrow slot-shaped opening again. The reactor module 102 has in its interior several separate chambers 206 . 208 and 210 on, which in the transport direction 101 seen arranged one behind the other. Through these chambers through the substrate strip is guided. Each of these chambers has its own gas supply 204 . 202 respectively. 200 on. It should be noted at this point that the chambers 206 . 208 and 210 in turn may be subdivided into smaller sub-chambers.

Die Kammer 206 dient neben einer optionalen Plasmavorbehandlung des Substrats einem Heizen des Substrats mit entsprechenden Heizelementen unterhalb des Substrats. Hierzu wird kontinuierlich Wasserstoff über die Zuleitung 204 zugeführt, sodass auf diesem Weg die auf dem Substrat gegebenenfalls befindliche Oxidschicht entfernt wird. Nach dieser Vorbereitung des Substrats in der Kammer 206 läuft das Substrat weiter in die Kammer 208. Hierbei handelt es sich um eine Trennungskammer, welche über die Zuleitung 202 beispielsweise mit Argon geflutet ist. Dies verhindert insbesondere, dass Wasserstoffgas von der Kammer 206 in die Kammer 210 übertreten kann.The chamber 206 serves in addition to an optional plasma pre-treatment of the substrate heating of the substrate with corresponding heating elements below the substrate. For this purpose, hydrogen is continuously supplied via the supply line 204 supplied, so that in this way the possibly located on the substrate oxide layer is removed. After this preparation of the substrate in the chamber 206 the substrate continues to run into the chamber 208 , This is a separation chamber, which via the supply line 202 for example, flooded with argon. This specifically prevents hydrogen gas from entering the chamber 206 in the chamber 210 can transgress.

In der Kammer 210, bei welcher es sich um die eigentliche Synthesekammer handelt, erfolgt die Synthese von Graphen auf dem Substrat 100. Hierzu erfolgt eine Zugabe von Methan und gegebenenfalls Wasserstoff über die Zuleitung 200, wobei sich aufgrund der Temperatur des Substrats 100 Graphen 106 auf der Oberfläche des Substrats 100 ausbildet. Die für die Graphenbildung relevanten Konzentrationen von Wasserstoff und Methan sowie deren Zeitabhängigkeit sind aus dem Stand der Technik bekannt.In the chamber 210 , which is the actual synthesis chamber, is the synthesis of graphene on the substrate 100 , For this purpose, an addition of methane and optionally hydrogen via the supply line 200 , due to the temperature of the substrate 100 graphs 106 on the surface of the substrate 100 formed. The concentrations of hydrogen and methane relevant for graphene formation and their time dependence are known from the prior art.

Wie oben bereits erwähnt, kann insbesondere auch die Kammer 210 in mehrere Unterkammern unterteilt sein. Hier ist denkbar, dass in der Transportrichtung gesehen je nach Kammer die Methankonzentration variiert. So kann insbesondere die Methankonzentration in der Transportrichtung 101 gesehen sukzessive zunehmen.As already mentioned above, in particular, the chamber 210 be divided into several sub-chambers. Here it is conceivable that seen in the transport direction varies depending on the chamber, the methane concentration. In particular, the methane concentration in the transport direction 101 seen gradually increase.

Nach der Synthese des Graphens auf der Oberfläche des Substrats 100 kann das Graphen zusammen mit dem Substrat dem Transfermodul 105 zugeführt werden. Während dieser Zuführung ist die Temperatur des synthetisierten Graphens konstant und identisch mit jener Temperatur, bei welcher zuletzt der Synthesevorgang in der Kammer 210 durchgeführt wurde.After the synthesis of graphene on the surface of the substrate 100 The graphene together with the substrate can be transferred to the transfer module 105 be supplied. During this delivery, the temperature of the synthesized graphene is constant and identical to that temperature at which the synthesis process in the chamber lasted 210 was carried out.

Die obig bezüglich der 1 und 2 beschriebene Vorrichtung dient also der Herstellung von möglichst großflächigen, defektarmen und auch möglichst einlagigem Graphen. Dies wird durch die Kombination einer homogenen und exakt vordefinierten Erhitzung des Substrats zur Graphen-Synthese sowie einem definierten Abkühlprozess des synthetisierten Graphens erreicht, wobei der Abkühlprozess gewährleistet, dass beim Abkühlen keine Spannungen zwischen Transfermaterial und Graphen auftreten.The above regarding the 1 and 2 Thus, the device described serves the production of as large as possible, low-defect and also possible single-layer graphene. This is achieved by combining a homogeneous and exactly predefined heating of the substrate for graphene synthesis and a defined cooling process of the synthesized graphene, wherein the cooling process ensures that no tensions between transfer material and graphene occur during cooling.

Um eine möglichst gleichmäßige flächige Erhitzung des Substrats auf die Synthesetemperatur des Graphens zu gewährleisten, ist es möglich, dass in der Kammer 206 mehrere Heizelemente vorgesehen sind. Über ein oder mehrere Temperatursensoren wird die Temperatur des Substrats 100 detektiert. Dabei erfolgt die Detektion in mehreren vordefinierten Bereichen 600 (vergleiche 6) des Substrats 100. Die Heizelemente können nun so geregelt werden, dass das Substrat 100 bezüglich jedem der vordefinierten Bereiche 600 die gleiche Temperatur aufweist. Nach dem Durchlaufen der Kammer 206 weisen also die unmittelbar aneinandergrenzenden vordefinierten Bereiche 600 exakt dieselbe Temperatur auf. Eine Heiztechnik ist z. B. Laser-Heizen.In order to ensure the most uniform possible surface heating of the substrate to the synthesis temperature of the graphene, it is possible that in the chamber 206 several heating elements are provided. About one or more temperature sensors, the temperature of the substrate 100 detected. The detection takes place in several predefined areas 600 (see 6 ) of the substrate 100 , The heating elements can now be controlled so that the substrate 100 regarding each of the predefined areas 600 has the same temperature. After passing through the chamber 206 So have the immediately adjacent predefined areas 600 exactly the same temperature. A heating technology is z. B. laser heating.

Die 3 zeigt verschiedene Schritte eines Verfahrens zur Bereitstellung von Graphen 106. In der 3a wird dabei davon ausgegangen, dass das Graphen 106 auf einem Substrat 100 synthetisiert wurde. Bei dem Substrat handelt es sich dabei um ein spezielles Substrat, welches einen ähnlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten wie das Graphen 106 selbst hat. Vorzugsweise liegt der Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats 100 unterhalb von 8·10^–6 K^–1. Während die 3a den Zustand von Substrat 100 und Graphen 106 im erhitzten Zustand unmittelbar nach der Synthese zeigt, erfolgt zwischen den Schritten in den 3a und 3b eine Abkühlung von Substrat und Graphen. Dies führt zu einem Schrumpfungsprozess beider Komponenten, wobei dieser Schrumpfungsprozess aufgrund ähnlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten des Substrats und Graphens gleich ausfällt. Dadurch treten beim Schrumpfungsprozess des Graphens keine Defekte im Graphen 106 auf.The 3 shows various steps of a method for providing graphs 106 , In the 3a it is assumed that the graph 106 on a substrate 100 was synthesized. The substrate is a special substrate which has a similar coefficient of thermal expansion as the graphene 106 even has. Preferably, the thermal expansion coefficient of the substrate is 100 below 8 · 10 ^-6 K ^-1 . While the 3a the state of substrate 100 and graphs 106 in the heated state immediately after the synthesis, takes place between the steps in the 3a and 3b a cooling of substrate and graphene. This leads to a shrinkage process of both components, this shrinkage process being the same due to similar thermal expansion coefficients of the substrate and graphene. As a result, there are no defects in the graphene during the shrinkage process 106 on.

Im nachgelagerten Schritt erfolgt daraufhin, wie in 3c gezeigt ist, das Aufbringen eines Trägermaterials 300 auf die Graphen-Schicht 106. Durch zum Beispiel einen Bubble-Transferprozess kann daraufhin im letzten Schritt das Substrat 100 vom Graphen 106 abgelöst werden, wodurch die in 3b gezeigte Kombination aus Trägermaterial 300 und Graphen 106 resultiert.In the next step, as in 3c is shown, the application of a carrier material 300 on the graphene layer 106 , By, for example, a bubble-transfer process, the substrate can then in the last step 100 from the graph 106 be replaced, causing the in 3b shown combination of carrier material 300 and graphs 106 results.

Die 4 zeigt eine alternative Variante von Verfahrensschritten, mittels derer Graphen bereitgestellt werden kann. Auch in 4 wird davon ausgegangen, dass in 4a zunächst Graphen 106 auf einem Substrat 100 synthetisiert wurde. Bei dem Substrat kann es sich dabei um ein beliebiges Substrat handeln, welches in der Lage ist, zur Graphen-Synthese verwendet zu werden. Noch während das Substrat und das Graphen die Synthesetemperatur aufweisen, wird auf das Graphen 106 ein Transfermaterial 400 aufgebracht. Das Transfermaterial 400 weist dabei ein Elastizitätsmodul von höchstens 4 GPa auf. Es ist damit so elastisch, dass es einem, aufgrund einer späteren Abkühlung des Graphens 106 resultierenden, Schrumpfungsvorgang des Graphens mechanisch folgen kann, ohne dass es zu einer Beschädigung der Graphen-Schicht kommt.The 4 shows an alternative variant of method steps by means of which graphs can be provided. Also in 4 is assumed to be in 4a first graphene 106 on a substrate 100 was synthesized. The substrate may be any substrate capable of being used for graphene synthesis. Even while the substrate and the graphene have the synthesis temperature, the graph is used 106 a transfer material 400 applied. The transfer material 400 has a modulus of elasticity of at most 4 GPa. It is so elastic that it, due to a later cooling of the graphene 106 resulting mechanical shrinkage of the graphene without mechanically damaging the graphene layer.

Nachdem also (wie in der 4b gezeigt wurde) das Transfermaterial 400 auf die Graphen-Schicht 106 aufgebracht wurde, erfolgt wiederum ein Bubble-Transferprozess, bei welchem eine Separierung des Substrats 100 von der Graphen-Schicht 106 stattfindet. Das Resultat ist in der 4c gezeigt.So after (as in the 4b was shown) the transfer material 400 on the graphene layer 106 was applied, in turn, a bubble transfer process, in which a separation of the substrate 100 from the graphene layer 106 takes place. The result is in the 4c shown.

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass bei den besagten Synthesetemperaturen, welche üblicherweise im Bereich von mehreren 100°C liegen, ein klassischer Bubble-Transferprozess problematisch sein könnte, da hier üblicherweise wasserhaltige Komponenten zum Einsatz kommen, welche bei dieser Temperatur gasförmig sind. Aus diesem Grund ist es denkbar, diese wasserhaltigen Komponenten durch bei dieser Temperatur flüssige Kunststoffkomponenten zu ersetzen, mittels derer ebenfalls ein Bubble-Transferprozess möglich ist.It should be noted at this point that at the said synthesis temperatures, which are usually in the range of several 100 ° C, a classical bubble transfer process could be problematic, since usually water-containing components are used, which are gaseous at this temperature. For this reason, it is conceivable to replace these water-containing components by plastic components which are liquid at this temperature, by means of which a bubble transfer process is likewise possible.

Nachdem nun also die in 4c gezeigte Kombination von Transfermaterial 400 und Graphen 106 erhalten wurde, kann daraufhin der Abkühlprozess zum Beispiel auf Raumtemperatur, stattfinden. Dadurch ziehen sich das Graphen 106 zusammen und das Transfermaterial folgt dieser Bewegung (4d).Now that the in 4c shown combination of transfer material 400 and graphs 106 The cooling process may then take place, for example at room temperature. This will pull the graph 106 together and the transfer material follows this movement ( 4d ).

In 4e ist weiter gezeigt, dass auf das Graphen ein Trägermaterial 300 aufgebracht wird. Nun kann das Transfermaterial 400 vom Graphen 106 abgelöst werden, sodass sich als Endprodukt eine Kombination von Trägermaterial 300 und Graphen ergibt, siehe 4f.In 4e it is further shown that on the graphene a carrier material 300 is applied. Now the transfer material 400 from the graph 106 be replaced so that the end product is a combination of carrier material 300 and graphs, see 4f ,

Diese Kombination von Trägermaterial und Graphen kann daraufhin aufgerollt und weiterverwendet werden.This combination of carrier material and graphene can then be rolled up and reused.

Die 5 zeigt eine schematische Ansicht eines beispielhaften Transfermoduls. Zunächst wird das auf einem Substrat 100 synthetisierte Graphen bei der Synthesetemperatur über Transportrollen 111 in Richtung 101 dem Transfermodul zugeführt. Hierbei sei im Folgenden davon ausgegangen, dass sich das Graphen 106 auf dem Substrat 100 befindet und dass sich das Substrat über die Rollen 111 bewegt. Eine Walze 500 trägt auf ihrer Oberfläche ein Transfermaterial 400, wobei durch Aktoren 512 in radialer Richtung der Walze gesehen bewegliche Segmente 510 für eine vordefinierte Oberflächenspannung des Transfermaterials 400 auf der Walze 500 sorgen. Während das Substrat 100 mit dem Graphen 106 in Richtung 101 gesehen in Richtung auf die Walze 500 befördert wird, dreht sich die Walze in Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn. Im Bereich 520 tritt das Graphen 106 in Kontakt mit dem Transfermaterial 400. All dies geschieht bei der Temperatur (+/–5%), bei welcher auch das Graphen auf dem Substrat 100 synthetisiert wurde. Aufgrund des Aufeinandertreffens von Graphen 106 und Transfermaterial 500 im Bereich 520 haftet das Graphen 106 am Transfermaterial 500. Im Bereich 508 erfolgt beispielsweise unter Verwendung eines Bubble-Transfers eine Separierung von Substrat 100 und Graphen 106. Das Substrat 100 wird vom Graphen 106 nach unten weggeführt und das Graphen 106 wird samt dem Transfermaterial durch das sich kontinuierliche Weiterdrehen der Walze 500 in Richtung 101 nach oben weiterbefördert. Nach der Separierung von Substrat 100 und Graphen 106 kann ein Abkühlprozess einsetzen, bei welchem das Graphen 106 von der Synthesetemperatur beispielsweise auf Raumtemperatur abgekühlt wird. Im Bereich 530 trifft die erkaltete Graphen-Schicht auf ein Trägermaterial 300 auf, welches über eine sich im Uhrzeigersinn drehende weitere Walze 502 zugeführt wird. Im Bereich 530 haftet daraufhin das Graphen 106 auf dem Trägermaterial 300, wobei diese Haftung stärker ist als die Haftung des Graphens am Transfermaterial 400. Dadurch kommt es zu einer Ablösung des Graphens vom Transfermaterial 400.The 5 shows a schematic view of an exemplary transfer module. At first, that's on a substrate 100 synthesized graphene at the synthesis temperature via transport rollers 111 in the direction 101 supplied to the transfer module. In the following it is assumed that the graph 106 on the substrate 100 located and that the substrate over the rollers 111 emotional. A roller 500 carries on its surface a transfer material 400 , where by actuators 512 seen in the radial direction of the roller movable segments 510 for a predefined surface tension of the transfer material 400 on the roller 500 to care. While the substrate 100 with the graph 106 in the direction 101 seen towards the roller 500 is conveyed, the roller rotates in the counterclockwise direction. In the area 520 the graph occurs 106 in contact with the transfer material 400 , All of this happens at the temperature (+/- 5%), at which also the graphene on the substrate 100 was synthesized. Due to the clash of graphs 106 and transfer material 500 in the area 520 the graphene sticks 106 on the transfer material 500 , In the area 508 For example, by using a bubble transfer, separation of substrate is performed 100 and graphs 106 , The substratum 100 is from the graph 106 led away down and the graph 106 becomes along with the transfer material by the continuous further rotation of the roller 500 in the direction 101 transported to the top. After separation of substrate 100 and graphs 106 can use a cooling process in which the graph 106 is cooled from the synthesis temperature, for example, to room temperature. In the area 530 meets the cooled graphene layer on a substrate 300 on, which has a clockwise rotating another roller 502 is supplied. In the area 530 The graph then adheres 106 on the carrier material 300 This adhesion is stronger than the adhesion of the graphene to the transfer material 400 , This leads to a separation of the graphene from the transfer material 400 ,

Es sei an dieser Stelle angemerkt, dass der Ablösevorgang des Graphens 106 vom Transfermaterial 400 durch verschiedene Mechanismen unterstützt und verstärkt werden könnte. Beispielsweise könnte im Bereich 530 das aktuell dort befindliche Segment 510 durch seinen ihm zugeordneten Aktuator 520 etwas in Richtung Walze 502 verfahren werden. Dadurch wird in diesem Bereich leicht das Transfermaterial 400 gedehnt, sodass bei geeigneter Materialwahl des Transfermaterials die erhöhte Dehnung des Transfermaterials zu einer Reduzierung der Haftfähigkeit des Transfermaterials am Graphens führt.It should be noted at this point that the detachment process of graphene 106 from the transfer material 400 could be supported and reinforced by different mechanisms. For example, in the area 530 the current segment there 510 by its associated actuator 520 something in the direction of the roller 502 be moved. This makes the transfer material easy in this area 400 stretched, so that with a suitable choice of material of the transfer material, the increased elongation of the transfer material leads to a reduction of the adhesion of the transfer material to graphene.

Als Resultat ergibt sich wieder die Kombination von Trägermaterial 300 und darauf befindlichen Graphen 106, welches daraufhin optional aufgerollt werden und einer weiteren Verwendung zugeführt werden kann.The result is again the combination of carrier material 300 and graphs on it 106 which is then optionally rolled up and can be used for further use.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

100100: Substratsubstratum
101101: Richtungdirection
102102: Reaktormodulreactor module
104104: BereichArea
105105: Transfermodultransfer module
106106: Graphengraphs
107107: Rollerole
108108: Rollerole
110110: Rollerole
111111: Transfermodultransfer module
112112: Transportrolletransport roller
114114: Transportrolletransport roller
120120: BereichArea
130130: Kühlmodulcooling module
200200: Gaszuführunggas supply
202202: Gaszuführunggas supply
204204: Gaszuführunggas supply
206206: Kammerchamber
208208: Kammerchamber
210210: Kammerchamber
300300: Trägermaterialsupport material
400400: Transfermaterialtransfer material
500500: Walzeroller
502502: Walzeroller
508508: BereichArea
510510: Segmentsegment
512512: Aktuatoractuator
520520: BereichArea
530530: BereichArea
600600: BereichArea

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 2011/195207 A1 [0004]

Zitierte Nicht-PatentliteraturCited non-patent literature

Trinsoutrot et al., Surface and Coatings Technology, 2013, 230, 87-92. [0002]
L. Huang, Carbon, 2012, 50, 551-556 [0002]
L. Eao et al., Nature Communications, DOI: 10.1038 / NCOMMS1702 [0003]

Claims

Method for providing graphs ( 106 ), the method comprising: providing a transfer material ( 100 ; 400 ), wherein the elastic modulus of the transfer material ( 100 ; 400 ) not more than 4 GPa or the thermal expansion coefficient of the transfer material ( 100 ; 400 ) is at most 8 · 10 ^-6 K ^-1 , - synthesis of graphene ( 106 ) at a first temperature, wherein the graph ( 106 ) on a substrate ( 100 ), - cooling the synthesized graphene ( 106 ) from the first temperature to a second temperature, during cooling only the transfer material ( 100 ; 400 ) with the graph ( 106 ), - peeling off the graphene ( 106 ) of the transfer material ( 100 ; 400 ).

Process according to claim 1, wherein the synthesis is carried out in a reactor module ( 102 ), wherein the cooling in a cooling module ( 130 ), wherein the substrate ( 100 ) as a band continuously to the reactor module ( 102 ), wherein the synthesized graph ( 106 ) continuously from the reactor module ( 102 ) the cooling module ( 130 ) is supplied.

Method according to claim 1 or 2, wherein the transfer material ( 100 ) as a synthesis catalyst for the synthesis of graphene ( 106 ), wherein the graph ( 106 ) at the first temperature directly on the transfer material ( 100 ) is synthesized.

Process according to claim 3, wherein for the synthesis the transfer material ( 100 ) as the exclusive support for the graph to be synthesized ( 106 ) in the graphene synthesis, the substrate ( 100 ) by the transfer material ( 100 ) given is.

Method according to one of the preceding claims 2-4, wherein the transfer material ( 100 ) is an alloy.

Process according to claim 1 or 2, wherein after the synthesis and before cooling, the transfer material ( 400 ) on the graph ( 106 ) is applied and the substrate ( 100 ) of the graph ( 106 ) Will get removed.

Process according to claim 6, wherein between the reactor module ( 102 ) and the cooling module ( 130 ) a transfer module ( 105 ), wherein the synthesized graph ( 106 ) continuously from the reactor module ( 102 ) is supplied to the transfer module, wherein in the transfer module ( 105 ) the transfer material ( 400 ) on the graph ( 106 ) is applied and the substrate ( 100 ) of the graph ( 106 ) Will get removed.

Method according to one of the preceding claims 6-7, wherein the transfer material ( 400 ) comprises a polymer or it is in the transfer material ( 400 ) is a polymer.

Method according to one of the preceding claims 6-8, wherein the substrate ( 100 ) Copper has.

Method according to one of the preceding claims 6-9, wherein the graph ( 106 ) independently at the first temperature on the transfer material ( 400 ) liable.

Method according to one of the preceding claims 6-10, wherein the adhesiveness of the graphene ( 106 ) on the transfer material ( 400 ) in the state of a first elongation of the transfer material ( 400 ) is higher than in the state of a second elongation of the transfer material ( 400 ), wherein the first elongation is smaller than the second elongation, wherein during the application of the transfer material ( 400 ) on the graph ( 106 ) the transfer material ( 400 ) has the state of first elongation, wherein after cooling and before separation of the graphene ( 106 ) of the transfer material, the transfer material ( 400 ) is transferred from the state of the first elongation to the state of the second elongation.

Method according to one of the preceding claims 6-11, wherein after cooling the graphene ( 106 ) on a carrier material ( 300 ) is applied, wherein at least after cooling and before the separation of the graphene ( 106 ) of the transfer material ( 300 ) the adhesiveness of graphene ( 106 ) on the carrier material ( 300 ) is higher than the adhesion of the graphene ( 106 ) on the transfer material ( 300 ).

Method according to one of the preceding claims 6-10, wherein after cooling the graph ( 106 ) on a carrier material ( 300 ), the method further comprising dissolving the transfer material ( 100 ; 400 ) or a bonding agent combining the graphene and the transfer material with a solvent after the graphene ( 106 ) on the carrier material ( 300 ) was applied.

Method according to one of the preceding claims 6-12, wherein the transfer material ( 400 ) on the surface of a roller ( 500 ) is arranged, wherein the roller ( 500 ) segments distributed around their circumference ( 510 ), the segments ( 510 ) for supporting the transfer material ( 400 ) are formed, wherein the segments ( 510 ) in the radial direction of the roller ( 500 ) are movable.

Method according to one of the preceding claims, further comprising a heating device for the substrate ( 100 ) for heating the substrate ( 100 ) to the first temperature, wherein the heating device more Heating elements, the method further comprising: - detecting the temperature of the substrate ( 100 ) for several predefined areas ( 600 ) of the substrate ( 100 ), - control of the heating of the substrate caused by the heating elements ( 100 ) as a function of the detected temperature, wherein the control individually for the predefined areas ( 600 ), whereby the regulation for an identical heating of the predefined regions ( 600 ) to the first temperature.

Device for providing graphs ( 106 ), the device comprising: means for providing a transfer material ( 100 ; 400 ), wherein the elastic modulus of the transfer material ( 100 ; 400 ) not more than 4 GPa or the thermal expansion coefficient of the transfer material ( 100 ; 400 ) is at most 8 · 10 ^-6 K ^-1 , - synthesis agent ( 102 ) for the synthesis of graphene ( 106 ) at a first temperature, wherein the graph ( 106 ) on a substrate ( 100 ), - Coolant ( 130 ) for cooling the synthesized graphene ( 106 ) from the first temperature to a second temperature, wherein during cooling only the transfer material with the graph ( 106 ), - means ( 111 ) for detaching the graphene ( 106 ) of the transfer material.