DE112009002392B4 - Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements - Google Patents

Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements Download PDF

Info

Publication number
DE112009002392B4
DE112009002392B4 DE112009002392.4T DE112009002392T DE112009002392B4 DE 112009002392 B4 DE112009002392 B4 DE 112009002392B4 DE 112009002392 T DE112009002392 T DE 112009002392T DE 112009002392 B4 DE112009002392 B4 DE 112009002392B4
Authority
DE
Germany
Prior art keywords
graphene
carbon
solid solution
temperature
coated
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Expired - Fee Related
Application number
DE112009002392.4T
Other languages
English (en)
Other versions
DE112009002392T5 (de
Inventor
Daisuke Fujita
Keisuke Sagisaka
Keiko Onishi
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
National Institute for Materials Science
Original Assignee
National Institute for Materials Science
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by National Institute for Materials Science filed Critical National Institute for Materials Science
Publication of DE112009002392T5 publication Critical patent/DE112009002392T5/de
Application granted granted Critical
Publication of DE112009002392B4 publication Critical patent/DE112009002392B4/de
Expired - Fee Related legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y40/00Manufacture or treatment of nanostructures
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/15Nano-sized carbon materials
    • C01B32/182Graphene
    • C01B32/184Preparation
    • BPERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B82NANOTECHNOLOGY
    • B82YSPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
    • B82Y30/00Nanotechnology for materials or surface science, e.g. nanocomposites
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2204/00Structure or properties of graphene
    • C01B2204/02Single layer graphene
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B2204/00Structure or properties of graphene
    • C01B2204/04Specific amount of layers or specific thickness

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Nanotechnology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Composite Materials (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Carbon And Carbon Compounds (AREA)

Abstract

Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements, wobei das Verfahren umfasst:
Heizen einer festen Lösung von Kohlenstoff in einer metallischen Basis einer erwünschten Form in einem Vakuum bei 600°C bis 950°C, um den Kohlenstoff auf einer Oberfläche der metallischen Basis abzuscheiden und Graphen zu bilden und
rasches Abkühlen der metallischen Basis auf 400°C oder weniger mit einer Kühlrate von 2 × 10°C/s bis 20 × 10°C/s, um eine entstehende Graphenschicht in die Basis zu integrieren,
dadurch gekennzeichnet, dass ein erwünschter, nicht mit Graphen beschichteter Abschnitt während der Graphenbildung unter Verwendung eines Lasers oder eines Heizers auf eine Temperatur oberhalb der Graphenbildungstemperatur geheizt wird, so dass der nicht mit Graphen beschichtete Abschnitt frei von der Graphenschicht bleibt.

Description

  • Technisches Gebiet
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements, das eine Graphenschicht auf einer Oberfläche einer metallischen Basis einer erwünschten Form aufweist.
  • Stand der Technik
  • Eine der bemerkenswerten physikalischen Eigenschaften von Graphen ist die hohe Ladungsträgerbeweglichkeit von 200.000 cm2/Vs, die diejenige von Metallen und Kohlenstoffnanoröhrchen übersteigt. Einige der anderen berichteten Eigenschaften umfassen:
    • (1) die Fähigkeit, das charakteristische 1/f-Rauschen von Nanoelementen deutlich zu unterdrücken;
    • (2) einen negativen Brechungsindex; und
    • (3) das Verhalten der Elektronen auf Graphen, als wenn sie keine Masse hätten.
  • Es gibt auch Berichte, dass Graphen eine Anzahl von einzigartigen Eigenschaften hat, die zwischen Metallen und Halbleitern liegen, was ein wachsendes Interesse an der großen Vielfalt von Grapheneigenschaften anzieht.
  • Eine bekannte Technik zum Bilden von Graphen ist die Hochtemperatur-Dampfabscheidungsdekomposition von Gasmolekülen, wie in dem Nicht-Patentdokument 1) beschrieben.
  • Speziell beschreibt dieses Dokument ein Graphenbildungsverfahren, bei dem Benzolgas auf einer Iridiumoberfläche abgeschieden wird, während eine hohe Temperatur aufrechterhalten wird.
  • Da dieses Verfahren jedoch auf der Dampfabscheidungsreaktion von Benzolmolekülen beruht, kann nur die Oberfläche des Iridiumsubstrats beschichtet werden. Die Hochtemperatur-Dampfabscheidungsdekomposition von Gasmolekülen zeigt auch die folgenden Probleme:
    • – weil die Bildungsrate in Abhängigkeit von der Frequenz variiert, mit der die Gasmoleküle kollidieren, kann der rückseitige Oberflächenabschnitt, der von den Gasmolekülen nicht erreicht wird, nicht beschichtet werden.
    • – weil die Kollisionsfrequenz der Gasmoleküle auch auf der Substratoberfläche nicht einheitlich ist, ist das Bilden einer Graphenbeschichtung auf einer relativ großen Fläche schwierig.
  • Nicht-Patentdokument 1:
    • Applied Surface Science 252 (2005) 1221–1227, Local electronic edge states of graphene layer deposited an Ir(1 1 1) surface studied by TM/CITS
    • Applied Physics Letter 93 (2008) 113103, Graphene segregated an Ni surfaces and transferred to insulators, beschreibt die Synthese von Graphen mittels Oberflächensegregation, wobei ein Graphenfilm auf einer Nickeloberfläche durch Erhitzen und anschließendes Kühlen einer festen Lösung von Kohlenstoff in Nickel abgeschieden wird. Unterschiedliche Kühlraten führen zu unterschiedlichen Abscheidungsverhalten, die die Dicke und Qualität des Graphenfilms beeinflussen.
    • Journal of Surface Science Society of Japan 24 No. 9 (2003) 531–537, Competitive Surface Growth of Carbon Nanowires and Graphite (0001) Terraces an a C-doped Ni (111) Substrate, beschreibt in der Zusammenfassung die Herstellung eines mit Graphen beschichteten Elements durch Erhitzen eines Kohlenstoff-dotierten Nickelsubstrats im Ultrahochvakuum.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Aufgabe der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung ist unter diesen Umständen entstanden und eine Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements einer neuartigen Struktur, die die herkömmlichen Probleme überwindet.
  • Mittel zum Lösen der Probleme
  • Die vorliegende Erfindung ist ein Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements. Das Verfahren umfasst:
    Heizen einer festen Lösung von Kohlenstoff in einer metallischen Basis einer erwünschten Form in einem Vakuum bei 600°C bis 950°C (hier und im Folgenden in 50°C-Einheiten), um den Kohlenstoff auf einer Oberfläche der metallischen Basis abzuscheiden und Graphen zu bilden; und
    Rasches Kühlen der metallischen Basis auf 400°C oder weniger mit einer Kühlrate von 2 × 10°C/s–20 × 10°C/s um eine entstehende Graphenschicht in die Base zu integrieren,
    wobei während der Graphenbildung nur ein erwünschter nicht mit Graphen beschichteter Abschnitt auf eine Temperatur geheizt wird, die über der Graphenbildungstemperatur liegt, um den nicht mit Graphen beschichteten Abschnitt frei von der Graphenschicht zu halten.
  • Vorteil der Erfindung
  • Erfindungsgemäß wird die Graphenschicht, die auf dem hergestellten mit Graphen beschichteten Element gebildet ist, aus Kohlenstoff in fester Lösung gebildet, und die Graphenschicht wird in einer ordnungsgemäßen Weise gebildet, ohne von Störungen beeinflusst zu werden, wie z. B. einem Fluss von Dampfkomponenten, wie er bei der Hochtemperatur-Dampfabscheidungsdekomposition auftreten kann. Die Erfindung kann daher ein herkömmlicherweise unerreichbares Element bereitstellen, dessen Basis mit einer homogenen Graphenschicht beschichtet ist.
  • Die Graphenbeschichtung kann das Element mit neuen Funktionalitäten ausstatten, einschließlich beispielsweise einer Oxidationswiderstandsfähigkeit, einer geringen Gasabsorption, einer geringen Ausgasung und einer geringen Sekundärelektronenabgabe.
  • Die vorliegende Erfindung ermöglicht eine verlässliche und effektive Herstellung solcher Elemente. Die Erfindung ermöglicht auch die Herstellung nicht nur monolagigen Graphens, sondern auch multilagigen Graphens, z. B. bilagigen Graphens. Dies ist mit einer Temperatureinstellung möglich unmittelbar unter der Temperatur, die die Bildung monolagigen Graphens ermöglicht, und in der Nähe der Festkörper-Festlösung-Grenztemperatur.
  • Die Temperatur aus dem Hochtemperaturbereich, die monolagiges Graphen und multilagiges, z. B. bilagiges Graphen bildet, kann durch eine Hochtemperatur-In-Situ-Messung unter Verwendung der Oberflächenelektronenspektroskopie aufgefunden werden. Monolagiges Graphen kann mit guter Reproduzierbarkeit durch eine Hitzebehandlung, die Oberflächenanalysefunktionen einschließt, hergestellt werden.
  • Die monolagige Graphenbeschichtung kann die Oberfläche stabilisieren und kann Funktionalitäten, insbesondere solche wie eine Oxidationswiderstandsfähigkeit, eine geringe Gasadsorption, eine geringe Ausgasung und eine geringe Sekundärelektronenabgabe, an die Oberfläche von Metallen, wie z. B. Palladium, Platin, Iridium, Rhodium, Nickel und Kobalt und Legierungen davon, welche mit Kohlenstoff eine feste Lösung bilden, vermitteln.
  • Weiterhin kann eine abgelöste monolagige Graphenbeschichtung durch wiederholtes Durchführen der Hitzebehandlung wiederhergestellt werden.
  • Weiterhin kann das monolagige Graphen durch ein Nassätzen des Basismetalls extrahiert werden.
  • Weiterhin können die unterschiedlichen Eigenschaften der Graphenschicht, die ausgenutzt werden sollen, durch die Form der Graphenschicht gesteuert werden, weil ein Bereich frei von einer Graphenschicht an einer beliebigen erwünschten Stelle gebildet werden kann.
  • Beste Art, die Erfindung auszuführen
  • Jede metallische Basis ist für die vorliegende Erfindung verwendbar, solange sie eine feste Lösung mit Kohlenstoff bilden kann, und eine Legierung aus mehr als einem Metallelement kann als metallische Basis verwendet werden. Insbesondere bei der Verwendung von metallischen Elementen (wie z. B. Nickel, Platin, Palladium, Rhodium, Iridium und Kobalt), die eine herausgestellte Kohlenstofflöslichkeit in einem binären Metall-Kohlenstoff-Phasendiagramm haben, kann Kohlenstoff in fester Lösung reversibel auf der Oberfläche abgeschieden werden und bei thermischem Gleichgewicht in Reaktion auf die Temperatur in den Festkörper lösen.
  • Daher ermöglicht das Einstellen der Vakuumhitzebehandlungstemperatur, die Oberflächenbedeckung mit Graphen und die Anzahl der Graphenlagen einzustellen. Weiterhin kann die Graphenbeschichtungslage vollständig durch Aufrechterhalten einer benötigten hohen Temperatur entfernt werden.
  • Es ist bekannt, dass die monolagige Oberflächengraphenphase stabil bei hohen Temperaturen existieren kann. Beispielsweise kann eine Graphenbeschichtungslage durch rasches Abkühlen einer festen Lösung von Kohlenstoff in Nickel oder Platin, was einer Hochtemperaturhitzebehandlung unterworfen ist, um monolagiges Graphen auf der Oberfläche abzuscheiden, fixiert werden, wie in dem Beispiel unten beschrieben. Es kann daher analog ausgesagt werden, dass derselbe Vorteil auch bei Verwendung von Kobalt, Palladium, Rhodium und Iridium erhalten werden kann, welche ähnliche binäre Gleichgewichtsphasendiagramme haben, oder bei Verwendung von Legierungen dieser Metalle.
  • Die Abscheidungsheiztemperatur liegt im Bereich von 600°C bis 950°C, vorzugsweise 700°C bis 900°C, mehr vorzugsweise 750°C bis 850°C. Oberhalb der oberen Grenztemperatur von 950°C verschwindet die Graphenbeschichtungslage auf der Oberfläche und eine reine Oberfläche kann gebildet werden. Bei Fehlen einer Graphenbeschichtung können Reaktionen, wie z. B. Oxidation und Adsorption, in einer Atmosphärenumgebung auftreten. Unterhalb der unteren Grenztemperatur von 600°C ist die Diffusionsrate von Kohlenstoff in der festen Lösung gering und eine ausreichend lange Hitzebehandlung ist notwendig. Weiterhin dominiert das Wachstum von multilagigem Graphen über das von monolagigem Graphen in Abhängigkeit von der Kohlenstoffkonzentration.
  • Die Rate des raschen Abkühlens ist 2 × 10°C/s bis 20 × 10°C/s, vorzugsweise 5 × 10°C/s bis 20 × 10°C/s, mehr vorzugsweise 10 × 10°C/s bis 20 × 10°C/s. Oberhalb der oberen Grenze werden keine Probleme verursacht; jedoch erfordern solch hohe Raten die Verwendung einer Vorrichtung zum raschen Abkühlen der Probe und beschränken die Probendicke. Unterhalb der unteren Grenze kann die Bildung einer multilagigen Graphenbeschichtung dominieren.
  • Die Temperatur nach dem raschen Abkühlen reicht vorzugsweise von Zimmertemperatur (im Allgemeinen in einem Bereich von 15°C bis 25°C) bis 400°C. Oberhalb der oberen Grenze kann Wachstum von multilagigem Graphen auftreten. Unterhalb der unteren Grenze treten keine Probleme auf; jedoch erfordert das Abkühlen unterhalb von Zimmertemperatur zusätzlich einen Probenkühlungsapparat.
  • Es wurde entdeckt, dass sich kein Graphen auf einem speziellen Abschnitt gebildet hat, der beheizt und während des raschen Kühlprozesses nicht rasch gekühlt worden ist. Dieser Hitzeeffekt kann verwendet werden, um Graphenbildung in speziellen Bereichen des Zielelements zu verhindern oder um eine Graphenschicht nur in einem speziellen Abschnitt zu bilden, abhängig von der beabsichtigten Verwendung. Insbesondere kann ein Produkt, das in einem erwünschten Bereich der Basis keine Graphenbildung hat, hergestellt werden, indem z. B. ein spezifischer Abschnitt der Basis in einer Vakuumkammer unter Verwendung eines externen Lasers beheizt wird oder indem ein spezifischer Abschnitt der Basis mit einem Heizer beheizt wird, der an einem speziellen Teil der Basishaltestruktur installiert ist. Die vorliegende Erfindung ermöglicht auch das Bilden von multilagem Graphen, wie z. B. bilagigem Graphen, zusätzlich zu monolagigem Graphen. Dies ist mit einer Temperatureinstellung möglich unmittelbar unter der Temperatur, die die Bildung monolagigen Graphens ermöglicht, und in der Nähe der Festkörper-Festlösung-Grenztemperatur.
  • Die Temperatur aus dem Hochtemperaturbereich, die monolagiges Graphen und multilagiges, z. B. bilagiges Graphen bildet, kann durch eine Hochtemperatur-In-Situ-Messung unter Verwendung der Oberflächenelektronenspektroskopie aufgefunden werden. Monolagiges Graphen kann mit guter Reproduzierbarkeit durch eine Hitzebehandlung, die Oberflächenanalysefunktionen einschließt, hergestellt werden.
  • Die monolagige Graphenbeschichtung kann die Oberfläche stabilisieren und kann Funktionalitäten, insbesondere solche wie eine Oxidationswiderstandsfähigkeit, eine geringe Gasadsorption, eine geringe Gasabgabe und eine geringe Sekundärelektronenabgabe, an die Oberfläche von Metallen, wie z. B. Palladium, Platin, Iridium, Rhodium, Nickel und Kobalt und Legierungen davon, welche mit Kohlenstoff eine feste Lösung bilden, vermitteln.
  • Weiterhin kann eine abgelöste monolagige Graphenbeschichtung durch wiederholtes Durchführen der Hitzebehandlung wiederhergestellt werden.
  • Ein Beispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden beschrieben.
  • Beispiele
  • Beispiel des Bildens einer festen Lösung von Kohlenstoff in einer Basis (siehe 1).
    • (1) Die Nickel-, Kobalt-, Palladium-, Rhodium-, Platin-, Iridium-Metalle, die eine feste Lösung mit Kohlenstoff bilden können, und Legierungen mit diesen Elementen als Hauptbestandteile, werden mit Kohlenstoff bis zu einer vorbestimmten Konzentration der festen Lösung unter Verwendung einer in 1 gezeigten Vorrichtung dotiert. Insbesondere wurden Basen der in Tabelle 1 unten dargestellten Metalle als Metallproben (Breite 10 mm, Länge 10 mm, Dicke 0,1 mm) verwendet.
    • – Die Metalle und ein Graphitpuder von hoher Reinheit, die eine feste Lösung bilden sollen, werden in einer festen Phase unter Verwendung eines Vakuum-Festphasen-Diffusions-Verfahrens kontaktiert.
    • – Der Grad des Vakuums reicht von Hochvakuum bis Ultrahochvakuum. 1 zeigt eine Kombination einer Turbomolekularpumpe und einer Vorpumpe. Jedoch kann jedes Vakuumevakuierungssystem verwendet werden, solange es Hochvakuum bis Ultrahochvakuum erreichen kann. Speziell wurden die in Tabelle 1 unten dargestellten Basen einem Vakuum-Festephasen-Diffusions-Verfahren unter den Bedingungen gemäß Tabelle 1 unterworfen.
    • – Neben der Turbomolekularpumpe kann die Hauptpumpe eine Öldiffusionspumpe, eine Ionenpumpe oder eine Kryopumpe sein.
    • – Die Vorpumpe kann eine ölgedichtete Rotationspumpe (Rotationspumpe) oder eine Scrollpumpe sein.
    • – Eine Gleichgewichtskonzentration der festen Lösung kann unter Verwendung eines binären Metall-Kohlenstoff-Phasendiagramms und der Vakuumheizaufrechterhaltungstemperatur bestimmt werden.
    • – Die Aufrechterhaltungszeit wird so eingestellt, dass die Kohlenstoffdiffusionsdistanz in dem Metall bei einer vorbestimmten Heizaufrechterhaltungstemperatur ausreichend größer als eine Distanz ist, die einer Probendicke äquivalent ist.
    • – Der Kontakt zwischen dem Kohlenstoffpuder von hoher Reinheit und einer Metallsubstratprobe ist bei einem Vakuum-Festphasen-Diffusionsverfahren sehr wichtig. Daher ist die Verwendung eines feinen Graphitpuders von hoher Reinheit und eines Graphitgefäßes für den feinen Graphitpuder von hoher Reinheit empfohlen. Es können auch Behälter verwendet werden, die aus Materialien bestehen, die auch bei hohen Temperaturen keine Verunreinigungsmischung zeigen (z. B. Metalle mit hohem Schmelzpunkt wie z. B. BN, Zirkon und Molybdän).
    • – Kohlenstoff kann zu einem Metall im geschmolzenen Zustand hinzugefügt werden, um eine Kohlenstofflegierung einer vorbestimmten Konzentration herzustellen (Schmelzverfahren).
    • (2) Nach dem Verfahren, um den Kohlenstoff in eine feste Lösung zu bringen, wird die Konzentration des fest gelösten Kohlenstoffs in dem Festkörper bestimmt. Bei einem Vakuum-Festphasen-Diffusionsverfahren kann die Kohlenstoffkonzentration durch Schätzen der Konzentration in fester Lösung als eine Gleichgewichtskonzentration von Kohlenstoff in fester Lösung aus der Hitzebehandlungstemperatur erhalten werden. Die Gleichgewichtslöslichkeit von Kohlenstoff kann aus dem binären Phasendiagramm erhalten werden.
    • – Legierungen aus mehreren Elementen erfordern die tatsächliche Messung der Gleichgewichtskonzentration von Kohlenstoff in fester Lösung bei jeder Temperatur. Verschiedene chemische und physikalische Analysetechniken können zur Messung der Kohlenstoffkonzentration herangezogen werden.
  • Bei diesem Beispiel wurde die Konzentration von Kohlenstoff in fester Lösung als eine Gleichgewichtskonzentration berechnet, die aus einem binären Phasendiagramm abgeleitet worden ist. Die Ergebnisse sind in Tabelle 1 dargestellt. Tabelle 1
    Figure DE112009002392B4_0002
  • Bilden einer Graphenbeschichtungsschicht
  • Die gebildete feste Lösung aus Kohlenstoff und Basis wurde verwendet, um eine Graphenbeschichtung zu bilden (siehe 2). Die Figur zeigt ein Flussdiagramm der Synthese einer Graphenbeschichtungslage auf einer Oberfläche eines Substrats einer festen Lösung von Kohlenstoff in Metall.
  • Zuerst wurde ein Metallsubstrat, das in die Form eines dünnen Blechs geformt worden ist (die Basis enthaltend den Kohlenstoff in einem Zustand der festen Lösung, wie oben erhalten), geglättet bzw. poliert, gewaschen und optional weiter verformt. Bei diesem Beispiel wurde die Oberfläche durch mechanisches Polieren geglättet und hochglanzpoliert durch Polieren unter Verwendung einer Suspension mit Aluminiumoxidpartikeln mit einem Durchmesser von 0,05 μm. Für das Waschen wurde ein Ultraschallwaschen unter Verwendung von Ethanol und Aceton durchgeführt.
  • Durch die Hitzebehandlung I des Substratmaterials einer festen Lösung von Kohlenstoff in Metall unter Verwendung eines Ultrahochvakuumapparats nach der Polier- und Waschoberflächenbehandlung kann eine monolagige oder bilagige Graphenbeschichtung durch Oberflächenabschneiden hergestellt werden. Ein Probenheizgerät, das zum Bereitstellen einer ausreichend einheitlichen Probentemperatur ausgestaltet ist, wurde verwendet.
  • Der Zustand der Graphenmono- oder -bilage wird durch In-Situ-Messung der Kohlenstoffkonzentration auf der Probenoberfläche geprüft. Die In-Situ-Messung wird unter Verwendung einer oberflächensensitiven Analysetechnik, wie z. B. Augerelektronenspektrometrie, Röntgenfotoelektronenspektrometrie durchgeführt.
  • Die Probe wird rasch gekühlt, um den Zustand mit der mit Graphen beschichteten Oberfläche zu fixieren (Hitzebehandlung II). Die speziellen Bedingungen sind in Tabelle 2 dargestellt.
  • Die Probentemperatur kann unter Verwendung eines Thermoelements oder eines Infrarotthermometers überwacht werden. Das Oberflächenglätten für das Hochglanzpolieren kann durch Techniken, wie z. B. elektrolytisches Polieren, elektrochemisches Polieren und Polieren, durchgeführt werden. Tabelle 2
    Figure DE112009002392B4_0003
  • 3 ist eine fotographische Ansicht, die das Ergebnis der Oberflächenmessung einer Probe, die mit Experiment Nr. 2 aus Tabelle 2 korrespondiert, darstellt, was wie folgt durchgeführt worden ist.
  • Kohlenstoff wurde in einer dünnen Platte aus polykristallinem Platin von hoher Reinheit gelöst, um eine feste Lösung zu bilden, und die Probe wurde nach der Oberflächenpolitur bei einer hohen Temperatur (1.373 K, 10 min) gehalten, um den Kohlenstoff in dem Festkörper ausreichend zu lösen. Die Probe wurde anschließend bei einer vorbestimmten Temperatur (1.223 K) gehalten, und rasch gekühlt (Kühlrate von bis zu 100 K/s), nachdem sich eine monolagige Graphenbeschichtung auf der Oberfläche gebildet hatte. Die Oberfläche wurde dann mit einem Raster-Auger-Elektronenmikroskop vermessen.
  • Das Bild des Rasterelektronenmikroskops (SEM) erscheint im Zentralbereich erhöht. Dies ist ein Bereich, der nicht mit Graphen beschichtet ist, wie in dem Auger-Bild erkannt werden kann (Kohlenstoff: C KLL, Platin: Pt NOO). Die gesamte Oberfläche ist mit monolagigem Graphen beschichtet. Die gesamte Oberfläche kann mit monolagigem Graphen durch einheitliches Einstellen der Temperatur beschichtet werden. Der Bereich, der nicht mit Graphen beschichtet ist, kann gebildet werden, indem eine lokale Temperaturungleichförmigkeit (ein Bereich höherer Temperatur) erzeugt wird. Ein spezieller Bereich kann bei einer relativ hohen Temperatur durch lokalisierte Strahlung, z. B. Elektronenstrahlung oder Laserstrahlung, gehalten werden und eine reine Oberfläche wird in diesen Bereichen gebildet.
  • 4 zeigt ein Augerelektronenspektrum, das von der Oberfläche nach dem raschen Abkühlen der Probe einer festen Lösung von Kohlenstoff in einem polykristallinen Platinsubstrat entsprechend dem Experiment Nr. 2 aus Tabelle 2 erhalten worden ist. Es gibt keinen Kohlenstoff-Auger-Peak (C KLL) auf der reinen Platinoberfläche. Andererseits wird ein Kohlenstoff-Auger-Peak (C KLL) in dem Bereich mit der monolagigen Graphenbeschichtung beobachtet und es gibt einen kleinen Platin-Seitenpeak mit niedriger Energie (Pt NOO) welcher kleiner ist. Eine bilagige Graphenbeschichtung kann vorzugsweise durch Einstellen der aufrechterhaltenen Temperatur der Hitzebehandlung I gebildet werden. Das gleiche Ergebnis wurde auch für eine feste Lösung von Kohlenstoff in Nickelproben erhalten.
  • Industrielle Anwendbarkeit
  • Das metallische Element, das mit monolagigem oder bilagigem Graphen beschichtet ist, gemäß der vorliegende Erfindung hat eine Anzahl von möglichen Anwendungen, wie folgt:
    • – Die Graphenlagenbeschichtung kann eine Antifoulingoberfläche bilden, die für Adsorption oder Oxidationsreaktion von Gasmolekülen oder kontaminierenden Partikeln inert ist. Dies ermöglicht das Bilden eines metallischen Elements mit einer glänzenden Oberfläche, die für ausgedehnte Zeiträume stabil bleibt.
    • – Weil das leitfähige, mit Graphen beschichtete Element mit einer so stabilen Oberfläche eine geringe Ausgasungsrate hat, kann es als Ultrahochvakuummaterial mit geringer Ausgasung verwendet werden.
    • – Zusätzlich zu der geringen Ausgasung ist auch die Abgaberate von Sekundärelektronen im Vakuum gering und die Austrittsarbeit ist konstant. Diese Eigenschaften ermöglichen, dass das mit Graphen beschichtete Element als strukturelles Element für ultragenaue Elektronenspektrometrie in einem Ultrahochvakuum verwendet wird.
    • – Das isolierende Substrat, das durch Überführen der von dem Metallsubstrat gelösten Graphenbeschichtung hergestellt ist, kann als Substrat mit hoher Mobilität für elektronische Vorrichtungen unter Verwendung der elektrischen Eigenschaften des Graphens verwendet werden.
    • – Eine dünne Metallplatte mit einer Graphenbeschichtung kann als haltbare Elektrode für unterschiedliche Batterien verwendet werden.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist ein Flussdiagramm, das eine Kohlenstoffdotierung durch ein Vakuum-Festphasen-Diffusionsverfahren unter Verwendung von feinem Graphitpuder zeigt.
  • 2 ist ein Flussdiagramm, das die Synthese einer Graphenbeschichtungslage auf einer Oberfläche einer festen Lösung von Kohlenstoff in einem Metallsubstrat zeigt.
  • 3 ist eine fotographische Ansicht, die das Ergebnis einer Augerelektronenmikroskopie nach dem raschen Abkühlen von einer hohen Temperatur einer festen Lösung von Kohlenstoff in polykristallinem Platin zeigt.
  • 4 ist ein Graph, der ein Augerelektronenspektrum nach dem raschen Abkühlen von einer hohen Temperatur einer festen Lösung von Kohlenstoff in polykristallinem Platin zeigt.

Claims (1)

  1. Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements, wobei das Verfahren umfasst: Heizen einer festen Lösung von Kohlenstoff in einer metallischen Basis einer erwünschten Form in einem Vakuum bei 600°C bis 950°C, um den Kohlenstoff auf einer Oberfläche der metallischen Basis abzuscheiden und Graphen zu bilden und rasches Abkühlen der metallischen Basis auf 400°C oder weniger mit einer Kühlrate von 2 × 10°C/s bis 20 × 10°C/s, um eine entstehende Graphenschicht in die Basis zu integrieren, dadurch gekennzeichnet, dass ein erwünschter, nicht mit Graphen beschichteter Abschnitt während der Graphenbildung unter Verwendung eines Lasers oder eines Heizers auf eine Temperatur oberhalb der Graphenbildungstemperatur geheizt wird, so dass der nicht mit Graphen beschichtete Abschnitt frei von der Graphenschicht bleibt.
DE112009002392.4T 2008-10-08 2009-10-07 Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements Expired - Fee Related DE112009002392B4 (de)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2008261875A JP5626948B2 (ja) 2008-10-08 2008-10-08 グラフェン被覆部材の製造方法
JP2008-261875 2008-10-08
PCT/JP2009/067516 WO2010041696A1 (ja) 2008-10-08 2009-10-07 グラフェン被覆部材とその製造方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
DE112009002392T5 DE112009002392T5 (de) 2012-01-19
DE112009002392B4 true DE112009002392B4 (de) 2014-01-02

Family

ID=42100644

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
DE112009002392.4T Expired - Fee Related DE112009002392B4 (de) 2008-10-08 2009-10-07 Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements

Country Status (4)

Country Link
US (1) US8613811B2 (de)
JP (1) JP5626948B2 (de)
DE (1) DE112009002392B4 (de)
WO (1) WO2010041696A1 (de)

Families Citing this family (20)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
FR2937343B1 (fr) * 2008-10-17 2011-09-02 Ecole Polytech Procede de croissance controlee de film de graphene
FI124466B (fi) * 2008-11-19 2014-09-15 Canatu Oy Kiteisiä pintarakenteita ja menetelmiä niiden valmistamiseksi
EP2603453A4 (de) * 2010-08-11 2015-08-26 Univ Pennsylvania Grossflächige graphenschicht: artikel, zusammensetzungen, verfahren und vorrichtungen damit
JP5740125B2 (ja) * 2010-09-29 2015-06-24 株式会社東芝 半導体発光素子
WO2012060468A1 (ja) * 2010-11-04 2012-05-10 日本電気株式会社 グラフェン基板の製造方法およびグラフェン基板
EP2682366B1 (de) 2011-02-28 2016-11-02 Japan Science And Technology Agency Verfahren zur herstellung von graphen auf einem substrat
JP5883571B2 (ja) * 2011-03-31 2016-03-15 三井金属鉱業株式会社 電極箔および有機デバイス
JP5666984B2 (ja) * 2011-05-12 2015-02-12 日本電信電話株式会社 炭素薄膜の作製方法
KR101878735B1 (ko) * 2011-07-29 2018-07-17 삼성전자주식회사 그래핀의 제조방법
CN103187576B (zh) 2011-12-28 2015-07-29 清华大学 集流体、电化学电池电极及电化学电池
JP2013170101A (ja) * 2012-02-21 2013-09-02 National Institute Of Advanced Industrial Science & Technology ナノワイヤ及びその製造方法
US20140158914A1 (en) * 2012-12-11 2014-06-12 Sandia Corporation Optical component with blocking surface and method thereof
US9593019B2 (en) * 2013-03-15 2017-03-14 Guardian Industries Corp. Methods for low-temperature graphene precipitation onto glass, and associated articles/devices
US10431354B2 (en) * 2013-03-15 2019-10-01 Guardian Glass, LLC Methods for direct production of graphene on dielectric substrates, and associated articles/devices
JP2015013797A (ja) * 2013-06-07 2015-01-22 独立行政法人産業技術総合研究所 グラフェン透明導電膜の製造方法及び該方法により製造されたグラフェン透明導電膜
JP6175948B2 (ja) * 2013-07-12 2017-08-09 株式会社デンソー グラフェンの製造方法
JP6797685B2 (ja) * 2013-10-25 2020-12-09 オハイオ・ユニバーシティ グラフェンで覆われた電極を含む電気化学セル
AU2013405936B2 (en) 2013-11-21 2017-04-13 Halliburton Energy Services, Inc. Friction and wear reduction of downhole tubulars using graphene
US10145005B2 (en) 2015-08-19 2018-12-04 Guardian Glass, LLC Techniques for low temperature direct graphene growth on glass
JP7265373B2 (ja) 2019-02-28 2023-04-26 株式会社アドバンテスト 試験システム、インタフェースユニット

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US6982133B2 (en) * 2002-12-21 2006-01-03 Intel Corporation Damage-resistant coatings for EUV lithography components
EP1840648A1 (de) * 2006-03-31 2007-10-03 Sony Deutschland Gmbh Verfahren zur Aufbringung eines Musters aus Metall und/oder Halbleiter auf ein Substrat
KR101344493B1 (ko) * 2007-12-17 2013-12-24 삼성전자주식회사 단결정 그라펜 시트 및 그의 제조방법
US8535553B2 (en) * 2008-04-14 2013-09-17 Massachusetts Institute Of Technology Large-area single- and few-layer graphene on arbitrary substrates

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Applied Physics Letters 2008, 93, 113103 *
Journal of Surface Science Society of Japan 2003, 24(9), 531-537 *

Also Published As

Publication number Publication date
JP2010089996A (ja) 2010-04-22
US20110265918A1 (en) 2011-11-03
JP5626948B2 (ja) 2014-11-19
WO2010041696A1 (ja) 2010-04-15
US8613811B2 (en) 2013-12-24
DE112009002392T5 (de) 2012-01-19

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE112009002392B4 (de) Verfahren zum Herstellen eines mit Graphen beschichteten Elements
US10940534B2 (en) Metal paste having excellent low-temperature sinterability and method for producing the metal paste
DE112015002494B4 (de) Brennstoffzellen-Separatormaterial und Verfahren zum Herstellen des Materials
DE112010001642B4 (de) Verfahren zum herstellen eines materials auf titanbasis
DE2601656C2 (de) Verfahren zum Herstellen eines hochohmigen Cermet-Schichtwiderstandes und Cermet-Schichtwiderstand
EP3347303B1 (de) Verfahren zur herstellung von strukturierten oberflächen
Ghosh et al. Aging effects on vertical graphene nanosheets and their thermal stability
KR101614322B1 (ko) 층수가 제어된 그래핀의 제조방법 및 그를 이용한 전자소자의 제조방법
Hong et al. A facile method for the selective decoration of graphene defects based on a galvanic displacement reaction
DE69016633T2 (de) CVD-Anlage und Verfahren zum Bilden einer Dünnschicht.
DE102015006057A1 (de) Schichtwiderstand mit einem kohlenstoffhaltigen Widerstandsmaterial und Verfahren zu dessen Herstellung
Ismail et al. Synthesis and characterization of diamond-like carbon film on silicon by electrodeposition from solution of ethanol and methanol
US20220199357A1 (en) A transferrable sample platform containing an exfoliated graphene membrane for the analysis and processing of nanomaterials
Impellizzeri et al. Nanoporous Ge electrode as a template for nano-sized (< 5 nm) Au aggregates
Xiaolong et al. The effect of electrochemical conditions on morphology and properties of Bi2Se3 thick films by electrodeposition
Gouveia et al. Germanium nanowires grown using different catalyst metals
Shen et al. Effect of nanostructure building formation on high current field emission properties in individual molybdenum nanocones
Filipowski et al. Relationship between resistance, TCR and stabilization temperature of amorphous Ni-P alloy
Puri et al. Effect of ytterbium oxide deposition on microstructural and electrical properties of thin tantalum foil
DE10316379B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Metall-Polymer-Nanokompositen
DE102018133712A1 (de) Brennstoffzellenseparator
DE102016213930B4 (de) Verfahren zur Herstellung von Referenzmaterialien für Messungen des Seebeck-Koeffizienten sowie entsprechende Proben zur Verwendung als Referenzmaterial
DE102012015263A1 (de) Verfahren zur Herstellung von Graphen
DE102020133062A1 (de) Vielzahl von Partikeln mit Beschichtung und Verfahren zu deren Herstellung
EP3234989B1 (de) Ohmscher kontakt aus eutektischer kobalt-kohlenstoffmetalllegierung für kohlenstoffnanoröhrenfeldeffekttransistoren

Legal Events

Date Code Title Description
R012 Request for examination validly filed
R016 Response to examination communication
R018 Grant decision by examination section/examining division
R020 Patent grant now final
R020 Patent grant now final

Effective date: 20141003

R119 Application deemed withdrawn, or ip right lapsed, due to non-payment of renewal fee
R079 Amendment of ipc main class

Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: C01B0031040000

Ipc: C01B0032184000