DE102021128160B3

DE102021128160B3 - Vorrichtung und Verfahren zum Herstellen einer Graphenschicht

Info

Publication number: DE102021128160B3
Application number: DE102021128160.1A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Kreischer
Original assignee: Joachim Richter Systeme und Maschinen GmbH and Co KG
Current assignee: Joachim Richter Systeme und Maschinen GmbH and Co KG
Priority date: 2021-10-28
Filing date: 2021-10-28
Publication date: 2023-01-05
Anticipated expiration: 2041-10-29
Also published as: WO2023072543A1

Abstract

Es wird eine Vorrichtung zum Herstellen einer Graphenschicht (10) vorgeschlagen, umfassend eine erste Elektrode (12), die Kohlenstoff umfasst und zumindest mit einem positiven Pol (14) einer Spannungsquelle (16) verbunden ist, eine zweite Elektrode (20), die zumindest mit einem negativen Pol (22) der Spannungsquelle (16) verbunden ist, eine Bewegungskinematik (24), die dazu ausgebildet ist, zumindest die erste Elektrode (12) entlang zumindest einer ersten Bewegungsrichtung (26) zu bewegen, und ein Lasermodul (32) mit zumindest einem Laser (34), der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (36) auf einen vorbestimmten Auftreffbereich (38) der ersten Elektrode (12) zu richten, wobei durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (36) zumindest in dem Auftreffbereich (38) ein Kohlenstoff-Plasma gebildet ist, das positiv geladene Kohlenstoff-Ionen C+und Elektronen e-umfasst, wobei die Spannungsquelle (16) dazu eingerichtet ist, zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (20) ein elektrisches Spannungsfeld bereitzustellen, durch das die positiv geladenen Kohlenstoff-Ionen C+dazu veranlasst sind, sich zumindest in einem Teilbereich der zweiten Elektrode (20) anzulagern und jeweils mit an der zweiten Elektrode (20) durch die Spannungsquelle (16) bereitgestellten Elektronen e-zu Kohlenstoffatomen C zu rekombinieren.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Herstellen einer Graphenschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Graphenschicht mit den Merkmalen des Anspruchs 12.
Graphen beschreibt einen Werkstoff, der aus einer einatomigen Lage von Kohlenstoffatomen gebildet ist. Graphen wird im Stand der Technik oftmals als „Wundermolekül“ bezeichnet, da es sich aufgrund seiner Materialeigenschaften für vielseitige technische und nicht-technische Anwendungsgebiete eignet. Graphen ist eine Bezeichnung für eine atomare Modifikation von Kohlenstoff mit zweidimensionaler Struktur, in der jedes Kohlenstoffatom in einem Winkel von 120° von drei weiteren Kohlenstoffatomen umgeben ist. Hierdurch entsteht eine bienenwabenförmige Struktur. Da Kohlenstoff vierwertig ist, sind je „Wabe“ zwei Doppelbindungen vorhanden, die nicht lokalisiert sind. Es handelt sich also um eine Verkettung von Benzolringen, wie sie in aromatischen Verbindungen oft auftritt. Allerdings war Graphen bis vor wenigen Jahren noch nicht gezielt herstellbar, da noch keine geeigneten Herstellungsverfahren zum Aufbau einer derartigen, einatomig dicken Schicht verfügbar waren.
Mittlerweise sind jedoch einige Herstellungsarten zur Herstellung von Graphen bekannt, die mechanisch und/oder chemische Verfahrensschritte umfassen. Beispielsweise ist im Stand der Technik ein Verfahren zur Herstellung von Graphen bekannt, bei dem ein Klebefilm auf eine Oberfläche eines Graphitblocks gedrückt und im Anschluss daran derart von diesem entfernt wird, dass aus der Graphitoberfläche herausgelöste Graphitpartikel an dem Klebefilm zurückbleiben. Dieser Klebefilm wird nachfolgend auf einen mit Fotolack beschichteten Silicium-Wafer gedrückt und nachfolgend von diesem abgezogen. Nach dem Entfernen des Klebefilms bleiben Graphitpartikel auf der Oberfläche der Fotolackschicht zurück. Anschließend wird die Fotolackschicht mit Aceton (einem chemischen Lösungsmittel) aufgelöst und der Wafer mit Wasser und 2-Propanol gespült. Bei Auflösen der Fotolackschicht haften einige Graphitpartikel an der Waferoberfläche, die zusätzlich mit Siliciumdioxid beschichtet sein kann. Auf diese Weise lässt sich eine Graphitschicht herstellen, die zumindest anteilig Graphen umfasst. Ein Nachteil dieses Verfahrens ist, dass die Herstellung von Graphen eine Vielzahl von Prozessschritten umfasst und zudem der Einsatz chemischer Lösungsmittel notwendig ist, um die dünne Graphitschicht zu erhalten. Nachteilig ist zudem, dass die hergestellte Graphitschicht lediglich in Teilbereichen (beispielsweise an ihren Rändern) als Graphen angeordnete Kohlenstoffatome umfasst, so dass mit diesem Verfahren kein reines Graphen herstellbar ist.
Ferner sind chemische Herstellungsverfahren bekannt, bei denen Graphen durch Reduktion von Graphenoxid entsteht. Dabei werden in einer Solvothermalsynthese beispielsweise Natrium und Ethanol miteinander umgesetzt. Unter mehrstündigem Erhitzen unter hohem Druck entsteht ein komplexes Gemisch mit Natriumethoxid als Hauptbestandteil. Nachfolgend wird das Reaktionsgemisch unter Luftausschluss pyrolysiert und im Anschluss daran mit Ultraschall behandelt, wodurch letztlich Graphen isoliert werden kann. Auch dieses Verfahren ist technisch aufwendig und erscheint für eine industrielle Herstellung von Graphen ungeeignet. Zudem wird eine Vielzahl chemischer Substanzen sowie ein hohes Maß an Energie benötigt, um Graphen herzustellen, wodurch ein derartiges Verfahren aus ökonomischer und ökologischer Sicht nachteilig erscheint.
Aus der DE 10 2011 080 553 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer graphenbasierten Schicht bekannt, durch das die Herstellung großflächig, energie- und kostengünstig sowie integrierbar in eine Gesamtprozessabfolgen erfolgen soll. Dabei wird zunächst eine amorphe Kohlenstoffschicht durch Kathodenzerstäubung (Gasphasenabscheidung) eines Graphittargets in einem Plasma und Abscheidung des Grafits auf einem Substrat erzeugt und diese Schicht anschließend durch einen Flash-Anneal in einer Atmosphäre kontrollierter Zusammensetzung thermisch behandelt. Auch dieses Verfahren macht es erforderlich, die erzeugte Graphenschicht thermisch und/oder chemisch zu behandeln.
Aus der DE 10 2019 003 789 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung von Graphen bekannt, bei dem ein pflanzliches Rohmaterial getrocknet und nach Trocknung pulverisiert wird, um eine Kohlenstoffquelle zu erhalten. Ferner umfasst das Verfahren einen Karbonisierungsschritt, in dem die Kohlenstoffquelle karbonisiert wird, um ein karbonisiertes Material zu erhalten. In einem weiteren Reinigungsschritt werden aus dem karbonisierten Material Verunreinigungen inklusive Siliciumdioxid entfernt. Während des Karbonisierungsschritts wird ein inertes Gas in eine Kammer eingeleitet und die Kohlenstoffquelle in der Kammer wird in einer Plasma-Atmosphäre erhitzt. Auch dieses Verfahren weist einige Nachteile auf, da beispielsweise ein Reinigungsschritt erforderlich ist, um reines Graphen zu erhalten.
Weiterer Stand der Technik an der wissenschaftlichen Veröffentlichung P., et al.: Optimized pulsed laser deposition by wavelength and static electric field control: The case oftetrahedral amorphous carbon films. In: Journal of applied physics, 101, 2007, 12, 124903 (1-7). - ISSN 0021-8979 entnommen werden.
Der Erfindung liegt eine Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen von Graphen bereitzustellen, durch die die vorstehenden Nachteile überwunden werden und durch die vorzugsweise eine industriell attraktive Herstellung einer Graphenschicht ermöglicht ist. Insbesondere soll es durch das erfindungsgemäße Verfahren möglich sein, auf chemische Zusatzmittel bei der Herstellung von Graphen zu verzichten.
Diese Aufgabe ist durch eine Vorrichtung nach der Lehre des Anspruchs 1 gelöst. Ferner ist die Aufgabe durch ein Verfahren nach der Lehre des Anspruchs 12 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche. Es versteht sich, dass sich die für die Vorrichtung in den abhängigen Ansprüchen genannten Ausführungsformen in äquivalenter Art und Weise auf das erfindungsgemäße Verfahren beziehen. Es versteht sich zudem, dass gegenständlich beschriebene Ausführungsformen bei einer Implementierung in dem erfindungsgemäßen Verfahren in sprachüblicher Art und Weise in entsprechende verfahrensbezogene Merkmale umformuliert werden können, ohne dass derartige Formulierungen explizit zu nennen sind. Derartige Formulierungen ergeben sich für den Fachmann zwanglos und sprachüblich bei Betrachtung einer jeweiligen, gegenständlichen Beschreibung von Ausführungsbeispielen.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Herstellen einer Graphenschicht umfasst eine erste Elektrode, die Kohlenstoff umfasst und zumindest mit einem positiven Pol einer Spannungsquelle (die ebenfalls Teil der Vorrichtung ist) verbunden ist. Ferner umfasst die Vorrichtung eine zweite Elektrode, die zumindest mit einem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist. Die Vorrichtung umfasst auch eine Bewegungskinematik, die dazu ausgebildet ist, zumindest die erste Elektrode entlang zumindest einer ersten Bewegungsrichtung zu bewegen. Die Vorrichtung umfasst ein Lasermodul mit zumindest einem Laser, der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl auf einen vorbestimmten Auftreffbereich der ersten Elektrode zu richten. Durch einen Energieeintrag des Laserstrahls entsteht (wird gebildet) zumindest in dem Auftreffbereich ein Kohlenstoff-Plasma, das positiv geladene Kohlenstoff-Ionen und Elektronen umfasst. Die Spannungsquelle ist erfindungsgemäß dazu eingerichtet, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode ein elektrisches Spannungsfeld bereitzustellen, durch das die positiv geladenen Kohlenstoff-Ionen dazu veranlasst sind, sich zumindest in einem Teilbereich der zweiten Elektrode anzulagern (bzw. dort anzusetzen) und jeweils mit an der zweiten Elektrode durch die Spannungsquelle bereitgestellten Elektronen zu Kohlenstoffatomen zu rekombinieren. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode einen Graphenansatzbereich umfasst, der Graphen aufweist und dazu bereitgestellt ist, dass sich die Kohlenstoff-Ionen in dem Graphenansatzbereich anlagern, um derart die Graphenschicht zu bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Herstellen einer Graphenschicht umfasst zumindest die folgenden Schritte: Bereitstellen einer ersten Elektrode, die Kohlenstoff aufweist und zumindest mit einem positiven Pol einer Spannungsquelle verbunden ist und einer zweiten Elektrode, die zumindest mit einem negativen Pol der Spannungsquelle verbunden ist; Ausrichten eines Laserstrahls auf einen vorbestimmten Auftreffbereich der ersten Elektrode, wobei durch einen Energieeintrag des Laserstrahls zumindest in dem Auftreffbereich ein Kohlenstoff-Plasma gebildet wird, das positiv geladene Kohlenstoff-Ionen und negativ geladene Elektronen umfasst; Ausbilden eines elektrischen Spannungsfeldes zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode, durch das die positiv geladenen Kohlenstoff-Ionen dazu veranlasst werden, sich zumindest in einem Teilbereich der zweiten Elektrode niederzuschlagen und jeweils mit an der zweiten Elektrode durch die Spannungsquelle bereitgestellten Elektronen zu Kohlenstoffatomen zu rekombinieren; und Bewegen zumindest der ersten Elektrode entlang zumindest einer Bewegungsrichtung, um entlang der zumindest einen Bewegungsrichtung die Graphenschicht (vorzugsweise zeilenweise) zu bilden bzw. aufzubauen. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode einen Graphenansatzbereich umfasst, der Graphen aufweist und dazu bereitgestellt ist, dass sich die Kohlenstoff-Ionen in dem Graphenansatzbereich anlagern, um derart die Graphenschicht zu bilden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft, da keine (ggf. giftigen) chemischen Zusatzstoffe notwendig sind, um eine Graphenschicht zu erzeugen. Vielmehr beschreibt das erfindungsgemäße Verfahren eine Art trockene (ohne Elektrolyt) „Plasmaelektrolyse“. Da Graphen ein elektrisch leitender Werkstoff ist, kann die Graphenschicht an der zweiten Elektrode nach und nach aufgebaut werden. Ferner kann die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. das Verfahren eine Herstellung von Graphen im industriellen Maßstab ermöglichen. Auch sind erfindungsgemäß keine aufwendigen Reinigungs- und oder Pyrolyseschritte notwendig, um die Graphenschicht herzustellen. Ein weiterer besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ist, dass es durch den Laser möglich ist, Plasma ortsgenau (örtlich beschränkt) in der Auftreffzone des Laserstrahls zu erzeugen. Durch eine hochgenaue Bewegung der ersten Elektrode zumindest entlang der ersten Bewegungsrichtung kann somit eine hochgenaue Erzeugung der Graphenschicht ermöglicht werden.
Die erste Elektrode weist erfindungsgemäß Kohlenstoff, insbesondere Grafit, auf. Die erste Elektrode bildet vorzugsweise die Anode in dem durch die Spannungsquelle gebildeten Spannungsfeld. Die zweite Elektrode bildet vorzugsweise die Kathode in dem durch die Spannungsquelle gebildeten Spannungsfeld. Bei der Spannungsquelle handelt es sich vorzugsweise um eine regelbare Gleichspannungsquelle. Die Gleichspannungsquelle weist den positiven Pol und den negativen Pol auf. Der positive Pol der Gleichspannungsquelle ist durch ein oder mehrere Kabel mit der ersten Elektrode verbunden. Der negative Pol der Gleichspannungsquelle ist durch ein oder mehrere Kabel mit der zweiten Elektrode verbunden.
Die erste Elektrode ist vorzugsweise von der zweiten Elektrode stets beabstandet. Die erste Elektrode berührt die zweite Elektrode also zu keinem Zeitpunkt während eines Betriebes der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. während der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
Der Laser ist vorzugsweise dazu eingerichtet, Laserstrahlung mit einer Pulslänge von mehr als einer Nanosekunde auf den Auftreffbereich zu fokussieren, so dass in dem Auftreffbereich eine Fokusintensität in einem Bereich zwischen (umfassend die untere und obere Intervallgrenze) 10⁷Wcm^-2 bis 10¹⁰ Wcm^-2 erreicht wird. Auch eine Fokusintensität von > 10¹⁰ Wcm^-2 ist möglich und kann vorteilhaft sein, da hierdurch ein hoch energetisiertes Plasma gebildet wird. In der Literatur sind auch Werte von 50 bis 500 × 10⁹ Wcm^-2 angegeben, ab welchen mit einer Plasmabildung zu rechnen ist. Der Laser kann vorzugsweise auch ein Femtosekunden-getakteter Laser sein. Als Laser kann beispielsweise ein YAG-Laser (Neodym-dotierter Yttrium-Aluminium-Granat-Laser) als ein Festkörperlaser eingesetzt sein, der als aktives Medium einen Neodym-dotierten YAG-Kristall verwendet und infrarote Strahlung mit der Wellenlänge 1064 nm emittiert. Weitere Übergänge können beispielhaft bei 946 nm, 1320 nm und 1444 nm liegen.
Eine Anordnung des Lasers relativ zu der ersten Elektrode ist grundsätzlich beliebig. Der Laser ist vorteilhaft lediglich derart relativ zu der ersten Elektrode angeordnet, dass der erzeugte Laserstrahl auf den Auftreffbereich der ersten Elektrode auftreffen kann.
Der Begriff „Plasma“ beschreibt ein Teilchengemisch, das zumindest Ionen und freie Elektronen umfasst. Ein Plasma enthält also freie Ladungsträger. Für Plasmen ist charakteristisch, dass die Elektronen und Ionen auf äußere Einflüsse kollektiv reagieren. Durch dieses kollektive Verhalten unterscheiden sich Plasmen wesentlich von neutralen Gasen, deren Teilchen nur durch direkte Stöße untereinander wechselwirken.
Unter dem Begriff „rekombinieren“ wird vorliegend verstanden, dass die im Plasma frei beweglichen Kohlenstoff-Ionen einen Elektronenmangel aufweisen, welcher durch Elektronen ausgeglichen (neutralisiert) wird, die an der zweiten Elektroden im Überschuss vorhanden sind. Wenn das Spannungsfeld durch die Spannungsquelle aufgebaut ist, entsteht also an der ersten Elektrode ein Elektronenmangel und an der zweiten Elektrode ein Elektronenüberschuss, wodurch eine das elektrische Spannungsfeld bildende Potenzialdifferenz zwischen der ersten und der zweiten Elektrode ausgebildet ist. Die Kohlenstoff-Ionen rekombinieren an der zweiten Elektrode vorzugsweise derart, dass sie die für die Graphenherstellung benötigte Atombindung in Form einer wabenförmigen Atombindungsstruktur mit anderen, an der zweiten Elektrode bereits angelagerten Kohlenstoffatomen (der an der zweiten Elektrode bis dahin gebildeten Graphenschicht) eingehen.
Graphen bezeichnet eine flächige Monolage von Grafit, die aus sp2-hybridisierten Kohlenstoffatomen besteht, die in einer honigwabenförmigen Struktur angeordnet sind. Eine Graphenschicht beschreibt vorzugsweise eine monolagige (einlagige) Schicht, die aus Grafit- bzw. aus Kohlenstoffatomen zusammengesetzt ist. Die Kohlenstoffatome sind in einer zweidimensionalen Struktur angeordnet, in der jedes Kohlenstoffatom in einem Winkel von 120° von drei weiteren Kohlenstoffatomen umgeben ist. Eine Schichtdicke der Graphenschicht ist vorzugsweise einatomig, d.h., entspricht dem Durchmesser eines Kohlenstoffatoms, der mit etwa 0,16 nm angegeben werden kann. In der Literatur findet sich für den Radius des Kohlenstoffatoms ein Wert von 0,076 nm.
Wirtschaftlich und/oder technisch interessant ist Graphen insbesondere aufgrund seiner herausragenden physikalischen Eigenschaften. Zum einen ist Graphen mechanisch stabil und besitzt bei Raumtemperatur eine Zugfestigkeit von 1,25 × 10¹¹ Pa. Seine Wärmeleitfähigkeit ist mit 5.000 Wm^-1 K^-1 angegeben. Seine elektrische Leitfähigkeit (bei Raumtemperatur) ist mit 96,3 × 10⁶ Ω^-1 m^-1 angegeben. Ebenfalls weist Graphen eine Ladungsträgerbeweglichkeit von 200.000 m² V^-1 s^-1 auf. Hierdurch ermöglicht Graphen Stromdichten von bis zu 10⁸ A_cm-² und transportiert Elektronen zehn Mal schneller als Silizium. Zudem ist es über das gesamte sichtbare Lichtspektrum transparent mit einem Transmissionsgrad von fast 98 %. Durch Anlegen einer Spannung kann die Lichtdurchlässigkeit und damit die Bandlücke der Graphenschicht systematisch verändert werden, wodurch es insbesondere auf für optische Anwendungen von großem Interesse ist. Zudem ist Graphen selbst für Helium flüssigkeits- bzw. gasundurchlässig, so dass es sich grundsätzlich als Dichtungsmaterial zu eignen scheint.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die Vorrichtung eine Steuerung auf, die die Bewegungskinematik dazu veranlasst, zumindest die erste Elektrode entlang der ersten Bewegungsrichtung zu bewegen. Initiiert durch diese Bewegung können sich die Kohlenstoff-Ionen zumindest entlang der ersten Bewegungsrichtung zumindest in dem Teilbereich (z. B. einem Ansatzstück) der zweiten Elektrode anlagern und vorzugsweise bei einem derartigen Anlagern in dem Teilbereich der zweiten Elektrode in einer graphenspezifischen Kohlenstoffatombindung rekombinieren, um derart zeilenweise und/oder schichtweise (je nachdem wie die erste Bewegungsrichtung ausgerichtet ist) die Graphenschicht zu bilden. Ist die Graphenschicht bereits zumindest teilweise gebildet, ist also beispielsweise bereits eine wabenförmige Kohlenstoffstruktur entlang einer Zeile bzw. Reihe an der zweiten Elektrode gebildet worden, lagern sich weitere, freie Kohlenstoff-Ionen vorzugsweise im Anschluss an diese erste wabenförmige Kohlenstoffstruktur an, um derart eine weitere wabenförmige Kohlenstoffstruktur zu bilden. Die bereits gebildete Graphenschicht wirkt aufgrund ihrer elektrischen Leitfähigkeit vorzugsweise als „Verlängerung der zweiten Elektrode, so dass sich die jeweiligen Kohlenstoff-Ionen stets an dem jeweiligen Ende (der jeweils letzten Zeile bzw. Wabenreihe) der bereits bestehenden Graphenschicht ansiedeln bzw. anlagern können. Die Steuerung ist vorzugsweise dazu eingerichtet, die Bewegungskinematik anzusteuern, die erste Elektrode relativ gegenüber der zweiten Elektrode zu bewegen. Die erste Elektrode wird vorzugsweise entlang einer Zeile bewegt. Mit anderen Worten wird mit fortschreitender Materialbildung die erste Elektrode (beispielsweise ein Linearschlitten auf einer Linearschienenführung) derart nachgeführt, dass die zweite Elektrode entlang ihrer Breitenrichtung (die parallel zu der ersten Bewegungsrichtung ist) abgezeilt (d.h., zeilenweises Abfahren bzw. Entlangbewegen) wird. Somit entsteht eine Graphenlage bzw. -zeile der Graphenschicht entlang der ersten Bewegungsrichtung, die in ihrer Länge vorzugsweise durch die Dimension der zweiten Elektrode, gemessen in der ersten Bewegungsrichtung, begrenzt ist.
Es kann auch vorteilhaft sein, dass die Vorrichtung eine positiv geladene Gitterelektrode aufweist, die derart angeordnet ist, dass sie sich mit der ersten Elektrode mitbewegt, wenn diese durch die Bewegungskinematik verstellt wird. Die Gitterelektrode kann vorzugsweise einen engen Spalt ausbilden und ansonsten für die Kohlenstoff-Ionen (aufgrund der positiven Ladung) undurchlässig sein. Hierdurch werden die Kohlenstoff-Ionen auf ihrem Weg zu der zweiten Elektrode dazu gezwungen, sich durch den Spalt der Gitterelektrode zu bewegen, wodurch eine gerichtete Bewegung der Kohlenstoff-Ionen möglich ist. Derart kann eine möglichst gezielte Anlagerung der Kohlenstoff-Ionen an der zweiten Elektrode an einem Ansatz einer bereits bestehenden Graphenlage erreicht werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Vorrichtung eine Herstellungskammer, die dazu ausgebildet ist, zumindest während der Herstellung der Graphenschicht in ihrem Inneren ein Vakuum oder eine Inertgas-Atmosphäre auszubilden. Bezogen auf das erfindungsgemäße Verfahren bedeutet das, dass dieses zumindest das Ausbilden eines Vakuums in einem Inneren einer Herstellungskammer umfasst. Zumindest das Lasermodul, die erste und zweite Elektrode und die Bewegungskinematik sind vorzugsweise in dem Inneren der Herstellungskammer angeordnet, so dass der Herstellungsprozess zur Herstellung des Graphens vollständig im Inneren der Herstellungskammer ablaufen kann. Die Herstellungskammer kann ein Gehäuse sein, in dessen Inneren beispielsweise durch eine oder mehrere Vakuumpumpen ein Vakuum erzeugt werden kann. Alternativ kann in der Herstellungskammer auch eine Intertgas-Atmosphäre (z. B. Helium) ausgebildet sein. Grundsätzlich kann die erfindungsgemäße Vorrichtung in einem derartigen Gehäuse als Stand-Alone-Einheit ausgebildet sein, so dass die Vorrichtung an einem gewünschten Einsatzort lediglich an eine externe (Stark-) Stromzufuhr anzuschließen ist. Derart kann die Vorrichtung vorzugsweise mobil ausgebildet sein. Die Bereitstellung eines Vakuums ist von Vorteil, da hierdurch kleinste Luftimpulse innerhalb der Herstellungskammer vermieden werden. Die Bereitstellung einer Intertgas-Atmosphäre kann vorteilhaft sein, da eine derartige Atmosphäre nicht reaktiv ist, so dass die Ausbildung einer reinen Graphenschicht (ohne Interaktion mit anderen Elementen) gewährleistet ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Elektrode Grafit. Das bedeutet, dass die erste Elektrode zumindest teilweise aus Grafit hergestellt ist. Beispielsweise kann das Grafit als eine Beschichtung auf einen elektrisch leitenden Kernwerkstoff aufgebracht sein. Dies hat den Vorteil, dass eine derartige Elektrode nach einem „Abbrennen“ bzw. Verdampfen der Graphitschicht (durch die Bildung des Kohlenstoff-Plasmas) wieder aufbereitet und dadurch vorzugsweise mehrfach verwendet werden kann. Besonders bevorzugt ist die erste Elektrode aus reinem Grafit, d.h., ohne weitere Zusätze hergestellt. Die erste Elektrode kann beispielsweise als Grafit-Presskörper (ähnlich zu einer Bleistiftmiene) hergestellt sein. Dies hat den Vorteil, dass eine derartige erste Elektrode günstig produziert werden kann.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bewegungskinematik dazu eingerichtet, zumindest die erste Elektrode entlang einer zweiten Bewegungsrichtung zu bewegen, die schräg, insbesondere orthogonal, zu der ersten Bewegungsrichtung ausgerichtet ist. Durch die Bereitstellung eines zweiten Bewegungsfreiheitsgrades kann die erste Elektrode relativ zu der zweiten Elektrode vorzugsweise rasterförmig bewegt werden. So kann die erste Elektrode durch die Bewegungskinematik beispielsweise in einem ersten Schritt entlang einer ersten Zeile in der ersten Bewegungsrichtung bewegt werden, bis entlang der ersten Zeile die Graphenschicht durch Anlagern und/oder Rekombinieren der Kohlenstoff-Ionen gebildet ist. Eine Länge der ersten Zeile ist vorzugsweise durch eine Dimensionierung der zweiten Elektrode in der ersten Bewegungsrichtung begrenzt. In einem nächsten Schritt wird die erste Elektrode durch die Bewegungskinematik entlang der zweiten Bewegungsrichtung orthogonal zu der ersten Bewegungsrichtung, vorzugsweise um eine Zeilenbreite, verfahren. In einem nachfolgenden Schritt kann die erste Elektrode durch die Bewegungskinematik wieder entlang einer zweiten Zeile in der ersten Bewegungsrichtung (nun entgegen der ersten Bewegungsrichtung) bewegt werden. Dadurch kann in einer durch die erste und zweite Bewegungsrichtung definierten Ebene die Graphenschicht rasterweise bzw. zeilenweise aufgebaut werden. Dies ermöglicht ein zweidimensionales Druckverfahren zur Herstellung der Graphenschicht. Ein derartiger Bewegungsablauf wird vorzugsweise durch die Steuerung gesteuert.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, durch Ansteuern der Bewegungskinematik zumindest die erste Elektrode rasterartig und/oder zeilenartige zumindest entlang der ersten Bewegungsrichtung, bevorzugt entlang der ersten und zweiten Bewegungsrichtung, zu bewegen. Die Steuerung ist vorzugsweise dazu ausgebildet, zu erfassen, wann eine weitere Atomkette der Graphenschicht (in der wabenförmigen Atomverbundstruktur des Graphens (entlang der ersten Bewegungsrichtung)) gebildet ist, um erst nach der vollständigen Bildung dieser Atomkette die zweite Elektrode in der zweiten Bewegungsrichtung zu verfahren, so dass die nächste Atomkette (bzw. Schicht) gebildet werden kann. Atomkette nach Atomkette entsteht somit eine wabenförmige, flächige Graphenschicht.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Steuerung dazu eingerichtet, die Bewegungskinematik auch in Abhängigkeit einer bereits gebildeten Graphenschicht, dazu zu veranlassen, zwischen der ersten Elektrode und der zweiten Elektrode einen vordefinierten Abstand einzuhalten. Die erste Elektrode berührt somit in keinem Fall die zweite Elektrode, sondern hält gegenüber dieser unabhängig von ihrer Bewegung in der ersten und/oder zweiten Bewegungsrichtung vorzugsweise stets den vordefinierten Abstand ein. Durch den Abstand ist sichergestellt, dass es nicht zur Ausbildung eines Kurzschlusses zwischen der ersten und der zweiten Elektrode kommt. Der Abstand ist dabei derart vordefiniert, dass die freien Kohlenstoff-Ionen einen möglichst kurzen Weg zu der zweiten Elektrode bzw. zu der bereits gebildeten Graphenschicht haben, jedoch dennoch kein Kurzschluss zwischen den beiden Elektroden entstehen kann. Der vordefinierte Abstand kann beispielsweise in einer Größenordnung von zwischen 0,1 µm bis mehrere 100 µm sein. Je nach Aufbau und Auslegung der Vorrichtung kann der Abstand jedoch auch kleiner oder größer ausgewählt sein.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die erste Elektrode keilförmig oder stabförmig ausgebildet. Auch kann es bevorzugt sein, dass die erste Elektrode plattenförmig (vorzugsweise als eine dünne Platte) ausgeführt ist. Eine derartige erste Elektrode kann dann beispielsweise durch den Laserstrahl entlang ihrer dünnen Kante abgebrannt werden, wobei sich die Breite einer derartigen plattenförmigen Elektrode während des Abbrennens nicht ändert, sondern konstant bleibt. Alternativ oder ergänzend umfasst die erste Elektrode vorzugsweise zumindest einen spitz zulaufenden Abschnitt bzw. Kontur, an dessen bzw. deren Spitze sich der Auftreffbereich befindet bzw. durch dessen bzw. deren Spitze der Auftreffbereich definiert ist. Grundsätzlich sind auch andere Formen der ersten Elektrode möglich. Es ist besonders vorteilhaft, wenn die erste Elektrode während des Herstellungsprozesses des Graphens nachgeführt wird. Hierzu ist die erste Elektrode vorzugsweise beweglich gehalten und kann beispielsweise über eine Linearführung kontinuierlich oder in zeitlich vordefinierten Abständen nachgeführt werden. Dieses Nachführen ist vorteilhaft, da die erste Elektrode aufgrund der Laserbestrahlung nach und nach verdampft und somit ein Materialschwund entsteht, dem durch ein Nachführen entgegengewirkt werden kann. Hierdurch ist es möglich, dass die erste Elektrode fortlaufend mit dem Laser bestrahlt wird, ohne dass ein Austausch der ersten Elektrode notwendig ist. Hierdurch wird die Totzeit der Vorrichtung reduziert, was insbesondere für die industrielle Fertigung von Graphen vorteilhaft ist. Auch bevorzugt kann die erste Elektrode als Keilleiste (mit einer Längserstreckung in einer der Bewegungsrichtungen) ausgebildet sein. Derart muss die erste Elektrode lediglich in eine der Bewegungsrichtungen bewegt werden, um die Graphenschicht zu erzeugen. Der Laser ist in einem solchen Fall vorzugsweise dazu ausgebildet, die Keilleiste entlang ihrer Längserstreckung abzufahren (den Laserstrahl entlang der Keilleiste, vorzugsweise im Bereich der Keilspitze entlangzubewegen).
In einer bevorzugten Ausführungsform ist in einem Bereich der zweiten Elektrode zumindest teilweise eine Trägerschicht angeordnet. Die Trägerschicht ist dazu ausgebildet, dass sich auf ihrer Oberfläche die Kohlenstoff-Ionen ansiedeln und zu Kohlenstoffatome rekombinieren, um derart auf der Oberfläche die Graphenschicht zu bilden. Die Trägerschicht dient vorzugsweise als Führungsschicht bzw. Leitschicht, um die Herstellung der einatomig dicken Graphenschicht zu erleichtern. Insbesondere ist die Trägerschicht vorteilhaft, wenn die Graphenschicht mit der Vorrichtung parallel oder unter einem vorbestimmten Winkel zur Horizontalen ausgebildet werden soll. In diesem Fall kann nämlich die Trägerschicht derart relativ zu der ersten Elektrode angeordnet sein, dass ihre Oberfläche jeweils parallel zu der ersten und zweiten Bewegungsrichtung ausgerichtet ist. Derart kann die Graphenschicht durch schrittweise Abrasterung (d.h., das Abfahren entlang eines rasterförmigen Musters) der Trägerschicht (ausgehend von einem zu der ersten Bewegungsrichtung parallelen Randbereich der zweiten Elektrode) auf der Trägerschicht gebildet werden. Die Trägerschicht grenzt vorzugsweise an den Randbereich der zweiten Elektrode an. Die Trägerschicht kann vorzugsweise eine Glasplatte umfassen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das Lasermodul gegenüberliegend zu der ersten Elektrode angeordnet und von der ersten Elektrode zumindest durch die Trägerschicht physisch bzw. räumlich getrennt. Der Laser ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den Laserstrahl durch die Trägerschicht hindurch auf einen vorbestimmten Auftreffbereich der ersten Elektrode zu richten. Die Trägerschicht ist vorzugsweise für den Wellenlängenbereich des Lasers transparent. Durch diese gegenüberliegende Anordnung des Lasers relativ zu der ersten Elektrode ist es möglich, die erste Elektrode bzw. den Auftreffbereich unter einem steilen Winkel (> 90°) mit dem Laserstrahl zu bestrahlen. Hierdurch kann ein Energieeintrag durch den Laserstrahl in dem Auftreffbereich gerichteter und optimiert erfolgen.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Lasermodul zumindest einen Ablenkspiegel. Ferner ist ein Scankopf und/oder der Ablenkspiegel des Lasers dazu ausgebildet, sich relativ zueinander zu bewegen, um derart ein Abrastern und/oder Abzeilen mit dem Laserstrahl innerhalb eines laserspezifischen Arbeitsbereiches zu ermöglichen. Wie, d. h. entlang und/oder um welche Raumrichtung der Laser bewegt wird, ist dabei grundsätzlich beliebig und hängt von dem spezifischen Aufbau der Vorrichtung ab. Bewegt sich die erste Elektrode, kann der Laserstrahl durch Bewegung des Scankopfes und/oder des zumindest einen Ablenkspiegels nachgeführt werden, so dass der Laserstrahl wieder auf einen Auftreffbereich auf der Oberfläche der ersten Elektrode trifft. Diese Nachführung ist innerhalb des gesamten Arbeitsbereiches des Lasers möglich. Alternativ oder ergänzend kann es aus möglich sein, den Laser bzw. das Lasermodul durch eine Kinematik entlang zumindest der ersten Bewegungsrichtung zu bewegen. Es ist besonders vorteilhaft, wenn diese Bewegung durch die Steuerung mit der Bewegung der ersten Elektrode synchronisiert ist. Durch eine derart synchrone Bewegung des Lasers bzw. Lasermoduls und der ersten Elektrode weist der Laser (und somit auch der Laserstrahl) eine gleichbleibende Ausrichtung relativ zu der ersten Elektrode auf.
Welche Art von Laser in der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Einsatz kommt, ist grundsätzlich beliebig. Der Laser muss lediglich dazu eingerichtet sein, das Kohlenstoff-Plasma zu erzeugen. Somit muss der Laserstrahl einen für die Plasmaerzeugung notwendigen Energieeintrag in dem Auftreffbereich erzeugen.
Ausführungsformen der Erfindung sind in der Zeichnung schematisiert dargestellt und werden nachfolgend beispielhaft erläutert. Es zeigt:

1 eine schematische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung;
2 eine Detailansicht eines Ausschnittes der in 1 gezeigten Ansicht;
3 eine schematische Ansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
4 eine Detailansicht eines Ausschnittes der in 3 gezeigten Ansicht.

In 1 ist eine erfindungsgemäße Vorrichtung 100 zum Herstellen einer Graphenschicht 10 gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Vorrichtung 100 umfasst eine erste Elektrode 12. Die erste Elektrode 12 weist Kohlenstoff auf und ist vorzugsweise aus reinem Grafit hergestellt. Die erste Elektrode 12 ist über ein oder mehrere Kabel mit einem positiven Pol 14 einer Spannungsquelle 16 verbunden. Die Spannungsquelle 16 ist vorliegend eine regelbare Gleichspannungsquelle. Die erste Elektrode 12 kann keilförmig oder stabförmig ausgebildet sein. Grundsätzlich kann jedoch auch eine plattenflörmige Ausgestaltung der ersten Elektrode 12 bevorzugt sein. Vorliegend ist die erste Elektrode 12 keilförmig ausgebildet. Die erste Elektrode 12 ist beispielhaft auf einem Aufsatz 18 angeordnet, durch den die erste Elektrode 12 elektrisch leidend gehalten ist. Die erste Elektrode 12 ist vorzugsweise auswechselbar auf dem Aufsatz 18 gehalten. Die Vorrichtung 100 umfasst eine zweite Elektrode 20, die über ein oder mehrere Kabel zumindest mit einem negativen Pol 22 der Spannungsquelle 16 verbunden ist. Durch die Spannungsquelle 16 kann eine elektrisches Gleichspannungsfeld zwischen der erste Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 20 ausgebildet werden.
Ferner umfasst die Vorrichtung 100 eine Bewegungskinematik 24, die dazu ausgebildet ist, zumindest die erste Elektrode 12 entlang zumindest einer ersten Bewegungsrichtung 26 zu bewegen. Je nach Ausführungsform kann die erste Bewegungsrichtung 26 beispielsweise parallel zu der x-Achse eines kartesischen Koordinatensystems (der Horizontalen) verlaufen (siehe 1 und 2) oder alternativ parallel zu der z-Achse eines kartesischen Koordinatensystems (der Vertikalen) verlaufen (siehe 3 und 4). Die Bewegungskinematik 24 ist vorliegend als Linearschlitten, der beispielsweise entlang einer Schienenführung verläuft, ausgebildet. Auch alternative Ausführungen der Bewegungskinematik 24 sind grundsätzlich denkbar, die eine translatorische Bewegung ermöglichen. Die erste Elektrode 12 ist vorliegend über ein oder mehrere Halteprofile 28 mit der Bewegungskinematik 24 drehfest verbunden. Die die Vorrichtung 100 umfasst ferner eine Steuerung 30, die dazu eingerichtet ist, die Bewegungskinematik 24 dazu veranlassen, zumindest die erste Elektrode 12 entlang der ersten Bewegungsrichtung 26 zu bewegen. Durch die Steuerung 30 wird die Bewegungskinematik 24 vorliegend über ein oder mehrere Kabel mit elektrischer Energie gespeist.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst ferner ein Lasermodul 32 mit zumindest einem Laser 34. Der Laser 34 ist dazu eingerichtet, einen Laserstrahl 36 auf einen vorbestimmten Auftreffbereich 38 der ersten Elektrode 12 zu richten. Der Auftreffbereich 38 ist vorliegend durch eine Spitze der keilförmigen ersten Elektrode 12 gebildet. Bei dem Laser 34 kann es sich vorzugsweise um einen Laser handeln, der Laserstrahlen mit einer Wellenlänge erzeugen kann, die je nach Laser 34 im Infrarotbereich bis hin zu dem sichtbaren Bereich des Lichtspektrums angeordnet sein kann. Beispielsweise kann es sich bei dem Laser 34 um einen YAG-Laser handeln, der mit einer Wellenlänge von 1065 nm arbeitet.
Die Vorrichtung 100 umfasst vorzugsweise eine Herstellungskammer 35, die dazu ausgebildet ist, zumindest während der Herstellung der Graphenschicht 10 in ihrem Inneren 37 ein Vakuum oder eine Inertgas-Atmosphäre auszubilden. Die Herstellungskammer 35 ist vorliegend als Gehäuse ausgebildet (siehe 1). Die Herstellungskammer 35 ist aus Gründen der Übersichtlichkeit in 3 nicht gezeigt. Allerdings herrscht in dem Ausführungsbeispiel gemäß 3 während der Herstellung der Graphenschicht 10 ebenfalls ein Vakuum im Inneren 37 der Herstellungskammer 35.
Durch einen Energieeintrag des Laserstrahls 36 wird zumindest in dem Auftreffbereich 38 ein Kohlenstoff-Plasma gebildet, das positiv geladene Kohlenstoff-Ionen C⁺ und negativ geladene Elektronen e^- umfasst (siehe 2 und 4). Durch das elektrische Gleichspannungsfeld zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 20 werden die positiv geladenen Kohlenstoff-Ionen C⁺ dazu veranlasst, sich zumindest in einem Teilbereich 40 der zweiten Elektrode 20 anzulagern und jeweils mit an der zweiten Elektrode 20 durch die Spannungsquelle 16 bereitgestellten Elektronen e^- zu Kohlenstoffatomen C zu rekombinieren. Durch die gezielte Rekombination der Kohlenstoff-Ionen C⁺ in dem Teilbereich 40 der zweiten Elektrode 20 wird die Graphenschicht 10 schichtweise (atomweise) gebildet. Hierzu kann es vorteilhaft sein, wenn der Teilbereich 40 beispielsweise bereits eine initiale Graphenschicht (zumindest eine wabenförmige Graphenatomstruktur) umfasst, die als einen Art „Keim“ für die weitere Bildung der Graphenschicht fungiert. Im Falle der 1 ist beispielsweise bereits ein Abschnitt der Graphenschicht 10 (die in ihrem Längsschnitt zu sehen ist) initial als Keim an der zweiten Elektroden 20 angeordnet, bevor die erfindungsgemäße Herstellung der Graphenschicht 10 durchgeführt wird. Die Kohlenstoffatome lagern sich somit vorzugsweise stets an einem Endbereich der bereits bestehenden Graphenschicht 10 an (siehe 2 und 4). Die Graphenschicht 10 ist in den gezeigten Fällen jeweils in einem Längsschnitt dargestellt und hat eine Dicke von einem Kohlenstoffatom-Durchmesser. Die flächenmäßige Ausdehnung der Graphenschicht verläuft parallel zu der ersten Bewegungsrichtung 26 sowie quer dazu in die Blattebene hinein.
Die Bewegungskinematik 24 ist vorzugsweise dazu eingerichtet, zumindest die erste Elektrode 12 entlang einer zweiten Bewegungsrichtung zu bewegen, die schräg, insbesondere orthogonal, zu der ersten Bewegungsrichtung 26 ausgerichtet ist und in den gezeigten Fällen jeweils in die Blattebene hinein verläuft. Die Bewegung der ersten Elektrode 12 kann, durch die Steuerung 30 initiiert, zeilenweise und/oder rasterweise erfolge, um derart (in der Art eines Webstuhls) die Graphenschicht 10 nach und nach atomweise aufzubauen.
Die in den 1 und 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in den 3 und 4 gezeigten Ausführungsform insbesondere durch die Anordnung des Lasermoduls 32 relativ zu der ersten Elektrode 12 sowie durch die Anordnung der Ebene, in der die Graphenschicht 10 ausgebildet wird. Die Graphenschicht 10 wird im Falle der 1 und 2 parallel zu einer Horizontalen und in die Blattebene hineinverlaufend gebildet. Hierzu weist die zweite Elektrode 20 eine Trägerschicht 42 auf. Die Trägerschicht 42 ist zumindest teilweise in einem Bereich der zweiten Elektrode 20 angeordnet. Die Trägerschicht 42 erstreckt sich vorliegend plattenförmig parallel zu einer Horizontalen. An einem Ende berührt sie die zweite Elektrode 20, wohingegen ihr anderes Ende freistehend ist. Ferner ist das Lasermodul 32 gegenüberliegend zu der ersten Elektrode 12 angeordnet und von der ersten Elektrode 12 zumindest durch die Trägerschicht 42 physisch getrennt. Der Laser 34 ist in diesem Fall dazu ausgebildet, den Laserstrahl 36 durch die Trägerschicht 42 hindurch auf einen vorbestimmten Auftreffbereich 38 der ersten Elektrode 12 zu richten. Die Trägerschicht 42 ist hierzu für die Wellenlänge des Laserstrahls 36 vollständig transparent. Die Trägerschicht 42 dient als Führungsschicht, auf deren Oberfläche die Graphenschicht ausgebildet wird. Die Kohlenstoffatome lagern sich aneinander an und liegen als die einatomig dicke Graphenschicht 10 auf der Trägerschicht 42 auf.
In den 3 und 4 wird die Graphenschicht hingegen gebildet, ohne dass eine Trägerschicht erforderlich ist. Die im Plasma gelösten Kohlenstoff-Ionen lagern sich an der zweiten Elektrode 20 derart an, dass sie beeinflusst durch die Schwerkraft F_g entlang einer Hauptausbildungsrichtung, die parallel zu der vertikal verlaufenden Schwerkraftrichtung verläuft, zeilenweise die Graphenschicht 10 bilden. Die Graphenschicht 10 erstreckt sich somit mit Fortgang des Herstellungsprozesses (vorzugweise lotrecht) in Richtung des Bodens (in der Vertikalen). Eine Breitenausdehnung der Graphenschicht erstreckt sich im gezeigten Ausführungsbeispiel der 3 und 4 in die Blattebene hinein, so dass die Graphenschicht 10 im Längsschnitt dargestellt ist. Somit wird bedingt durch die Schwerkraft F_g (aufgrund derer die Kohlenstoff-Ionen und/oder Atome grundsätzlich in Richtung des Bodens gezogen werden) nach dem Rekombinieren der Kohlenstoff-Ionen zu Kohlenstoffatomen an der zweiten Elektrode 20 die Graphenschicht 10 gebildet. Die Kohlenstoff-Ionen rekombinieren an der zweiten Elektrode vorzugsweise derart, dass sie die für die Graphenherstellung benötigte Atombindung in Form einer wabenförmigen Struktur mit anderen, bereits an der zweiten Elektrode bzw. der bereits gebildeten Graphenschicht angelagerten Kohlenstoffatomen eingehen. Derart lagern sich weitere Kohlenstoffatome entlang der Schwerkraftrichtung jeweils am Ende der bereits existierenden Graphenschicht an. Somit entsteht eine Art Graphenmatte, die bedingt durch die Schwerkraft ohne eine Trägerschicht, d.h. an ihrem einen Ende freihängend, hergestellt werden kann. Hierzu ist es besonders vorteilhaft, wenn innerhalb der Herstellungskammer ein Vakuum ausgebildet ist, so dass der Herstellungsprozess nicht gestört wird. Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn die Herstellungskammer möglichst erschütterungsfrei gelagert ist, um derart äußere Einflüsse zu vermeiden.
Es sein erwähnt, dass die Steuerung 30 besonders bevorzugt dazu eingerichtet ist, die Bewegungskinematik 24 auch in Abhängigkeit einer bereits gebildeten Graphenschicht 10, dazu zu veranlassen, zwischen der ersten Elektrode 12 (einer Spitze der ersten Elektrode 12) und der zweiten Elektrode 20 (bzw. einer Abrisskante einer bereits an der zweiten Elektrode gebildeten Graphenschicht) einen vordefinierten Abstand d einzuhalten. Dieser Abstand d ist vorteilhaft, um eine Ausbildung eines Kurzschlusses zwischen der ersten Elektrode 12 und der zweiten Elektrode 20 zu vermeiden. Die Steuerung 30 ist vorzugsweise dazu ausgebildet, den Abstand d auch gegenüber einem jeweiligen Endabschnitt (der Abrisskante) einer bereits an der zweiten Elektrode 20 gebildeten Graphenschicht 10 einzuhalten, wie diese insbesondere aus den 1 und 3 hervorgeht. Diese bereits an der zweiten Elektrode 20 gebildete Graphenschicht 10 wirkt als eine Verlängerung der zweiten Elektrode, da sie an dieser gebildet ist, und zudem elektrisch leitend ist. Die Abrisskante der bereits gebildeten Graphenschicht 10 beschreibt vorzugsweise die zuletzt an ihr gebildete Atomanordnung. Die Steuerung 30 sorgt also dafür, dass die erste Elektrode 12 nicht in Kontakt mit der zweiten Elektrode 20 oder der bereits gebildeten Graphenschicht 10 kommt, sondern stets den Abstand d zu dieser einhält. Zudem ist es in dem Ausführungsbeispiel gemäß der 1 und 2 vorteilhaft, wenn die erste Elektrode 12 ferner einen zweiten Abstand h zumindest zu der bereits gebildeten Graphenschicht 10 einhält, um mit dieser nicht in direkten Kontakt zu kommen (siehe 2).
Bezugszeichenliste

10: Graphenschicht
12: erste Elektrode
14: positiver Pol
16: Spannungsquelle
18: Aufsatz
20: zweite Elektrode
22: negativer Pol
24: Bewegungskinematik
26: erste Bewegungsrichtung
28: Halteprofile
30: Steuerung
32: Lasermodul
34: Laser
35: Herstellungskammer
36: Laserstrahl
37: Inneres der Herstellungskammer
38: Auftreffbereich
40: Teilbereich
42: Trägerschicht
100: Vorrichtung

Claims

Vorrichtung zum Herstellen einer Graphenschicht (10), umfassend eine erste Elektrode (12), die Kohlenstoff umfasst und zumindest mit einem positiven Pol (14) einer Spannungsquelle (16) verbunden ist, eine zweite Elektrode (20), die zumindest mit einem negativen Pol (22) der Spannungsquelle (16) verbunden ist, eine Bewegungskinematik (24), die dazu ausgebildet ist, zumindest die erste Elektrode (12) entlang zumindest einer ersten Bewegungsrichtung (26) zu bewegen, und ein Lasermodul (32) mit zumindest einem Laser (34), der dazu eingerichtet ist, einen Laserstrahl (36) auf einen vorbestimmten Auftreffbereich (38) der ersten Elektrode (12) zu richten, wobei durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (36) zumindest in dem Auftreffbereich (38) ein Kohlenstoff-Plasma gebildet ist, das positiv geladene Kohlenstoff-Ionen C⁺ und Elektronen e^- umfasst, wobei die Spannungsquelle (16) dazu eingerichtet ist, zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (20) ein elektrisches Spannungsfeld bereitzustellen, durch das die positiv geladenen Kohlenstoff-Ionen C⁺ dazu veranlasst sind, sich zumindest in einem Teilbereich der zweiten Elektrode (20) anzulagern und jeweils mit an der zweiten Elektrode (20) durch die Spannungsquelle (16) bereitgestellten Elektronen e^- zu Kohlenstoffatomen C zu rekombinieren, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (20) einen Graphenansatzbereich umfasst, der Graphen aufweist und dazu bereitgestellt ist, dass sich die Kohlenstoff-Ionen C⁺ in dem Graphenansatzbereich anlagern, um derart die Graphenschicht (10) zu bilden.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Steuerung (30) die Bewegungskinematik (24) dazu veranlasst, zumindest die erste Elektrode (12) entlang der ersten Bewegungsrichtung (26) zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Herstellungskammer (35) dazu ausgebildet ist, zumindest während der Herstellung der Graphenschicht (10) in ihrem Inneren (37) ein Vakuum oder eine Inertgas-Atmosphäre auszubilden.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12) Grafit umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungskinematik (24) dazu eingerichtet ist, zumindest die erste Elektrode (12) entlang einer zweiten Bewegungsrichtung zu bewegen, die schräg, insbesondere orthogonal, zu der ersten Bewegungsrichtung (26) ausgerichtet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (30) dazu eingerichtet ist, durch Ansteuern der Bewegungskinematik (24) zumindest die erste Elektrode (12) rasterartig und/oder zeilenartige zumindest entlang der ersten Bewegungsrichtung (26) zu bewegen.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung (30) dazu eingerichtet ist, die Bewegungskinematik (24) auch in Abhängigkeit einer bereits gebildeten Graphenschicht (10), dazu zu veranlassen, zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (20) einen vordefinierten Abstand d einzuhalten.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Elektrode (12) plattenförmig oder keilförmig oder stabförmig ausgebildet ist und/oder einen spitz zulaufenden Abschnitt umfasst, an dessen Spitze sich der Auftreffbereich (38) befindet.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Bereich der zweiten Elektrode (20) zumindest teilweise eine Trägerschicht (42) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul (32) gegenüberliegend zu der ersten Elektrode (12) angeordnet ist und von der ersten Elektrode (12) zumindest durch die Trägerschicht (42) physisch getrennt ist, und der Laser (34) dazu ausgebildet ist, den Laserstrahl (36) durch die Trägerschicht (42) hindurch auf einen vorbestimmten Auftreffbereich (38) der ersten Elektrode (12) zu richten.
Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Lasermodul (32) zumindest einen Ablenkspiegel umfasst und ein Scankopf des Lasers (34) dazu ausgebildet ist, sich relativ zu dem Ablenkspiegel zu bewegen, um derart ein Abrastern und/oder Abzeilen mit dem Laserstrahl (36) innerhalb eines laserspezifischen Arbeitsbereiches des Lasers (34) zu ermöglichen.
Verfahren zum Herstellen einer Graphenschicht (10), das zumindest die folgenden Schritte umfasst: - Bereitstellen einer ersten Elektrode (12), die Kohlenstoff aufweist und zumindest mit einem positiven Pol (14) einer Spannungsquelle (16) verbunden ist und einer zweiten Elektrode (20), die zumindest mit einem negativen Pol (22) der Spannungsquelle (16) verbunden ist; - Ausrichten eines Laserstrahls (36) auf einen vorbestimmten Auftreffbereich (38) der ersten Elektrode (12), wobei durch einen Energieeintrag des Laserstrahls (36) zumindest in dem Auftreffbereich (38) ein Kohlenstoff-Plasma gebildet wird, das positiv geladene Kohlenstoff-Ionen C⁺ und negativ geladene Elektronen e^- umfasst; - Ausbilden eines elektrischen Spannungsfeldes zwischen der ersten Elektrode (12) und der zweiten Elektrode (20), durch das die positiv geladenen Kohlenstoff-Ionen C⁺ dazu veranlasst werden, sich zumindest in einem Teilbereich (40) der zweiten Elektrode (20) niederzuschlagen und jeweils mit an der zweiten Elektrode (20) durch die Spannungsquelle (16) bereitgestellten Elektronen e^- zu Kohlenstoffatomen C zu rekombinieren; und - Bewegen zumindest der ersten Elektrode (12) entlang zumindest einer Bewegungsrichtung (26), um entlang der zumindest einen Bewegungsrichtung (26) die Graphenschicht (10) zu bilden, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Elektrode (20) einen Graphenansatzbereich umfasst, der Graphen aufweist und dazu bereitgestellt ist, dass sich die Kohlenstoff-Ionen C⁺ in dem Graphenansatzbereich anlagern, um derart die Graphenschicht (10) zu bilden.