Wachstum und Charakterisierung von großflächigem Graphen

Das Wachstum makroskopischen und einlagigen Graphens und dessen Implementierung in großflächige Bauelementen ist von großem Interesse. Großflächiges Graphen wird mit Hilfe eines optimierten CVD-Prozesses auf polykristalliner Kupferfolie bei hohen Temperaturen gewachsen und durch einen eigens entwickelten Transferprozess auf geeignete Substrate transferiert. Transmissionsspektroskopische Untersuchungen zeigen, dass sich die hergestellten Graphenschichten im Wellenlängenbereich von 450 - 800nm durch eine Transmission auszeichnen, die nicht wesentlich von 97.6% abweicht. NEXAFS-, XPS und Raman-Experimente belegen, dass die sp2-Hybridstruktur des Graphens arm an Defekten ist. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoezienten von Graphen und Kupfer, wird großflächiges Graphen während des Abkühlprozesses biaxial und kompressiv verspannt. Unter Verwendung von AFM- und Raman-Experimenten werden der Mechanismus des schrittweisen Verspannungsabbaus vollständig aufgeklärt und die Teil- sowie Restverspannungen quantifiziert. Interessanterweise führt der erste Schritt des Verspannungsabbaus während des Abkühlprozesses zur Ausbildung einer ausgeprägten Rillenstruktur auf der Cu-Substratoberfläche und zum Aufwerfen von Graphenfalten. Die Relaxation weiterer Verspannung während des Graphentransfers vom Cu-Wachstumssubstrat auf SiO2-bedecktes Si führt zu einer Frequenzverschiebung der 2D Phonon-Mode um -27 cm-1. Hall-Effekt-Messungen einer 8 x 8mm2 großen Graphenschicht auf Corning Eagle Borosilikatglas zeigen eine Ladungsträgerbeweglichkeit von 2070 cm2 V-1 s-1 im Graphen. Weiterhin ergeben diese Messungen eine Lochkonzentration von 3:6 1012 cm-2 in diesen Schichten. Das Aufbringen zusätzlicher Si-Deckschichten ändert die strukturellen Eigenschaften des Graphens nicht. Allerdings hat die Kristallinität der Deckschicht Einuss auf die elektrischen Charakteristika. Hall- und Raman-Experimente zeigen, dass die Kristallisation von a-Si zum Wechsel der Majoritätsladungsträger im Graphen führt. Die zuvor n-leitende Graphenschicht wird p-leitend. SIMS-Messungen zeigen, dass Graphen im Hinblick auf die Diffusion von B, Al und Na aus dem Glassubstrat während der Flüssigphasenkristallisation von Si, keine Barriere darstellt. Der durch Raman-Experimente gezeigte Erhalt der Graphenstruktur nach Bedeckung mit kristallinem Si, weckt dennoch Erwartungen, Graphen zukünftig beispielsweise als vergrabenen Frontkontakt in flüssigphasenkristalliserten Dünnschichtsolarzellen in Superstratkonguration implementieren zu können.