Graphen hat das Potenzial für herausragende Leistungssteigerungen bei Solarzellen, organischen Leuchtdioden (OLEDs), elektrischen Energiespeichern oder intelligenten Fenstern und sogar Membranen, z. B. zur Meerwasserentsalzung. Seine phänomenalen Eigenschaften sind beeindruckend: Das Material ist transparent, leicht und stärker als Stahl. Graphen hat außerdem eine hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit und ist sehr flexibel.

Aufgrund seiner hohen elektrischen Leitfähigkeit ist die Integration von Graphen in Energiespeicher wie Batterien oder Superkondensatoren ein vielversprechender Ansatz zur Verbesserung der Lade- und Entladezyklen. Seine große Oberfläche ermöglicht außerdem eine höhere Kapazität und Energiedichte, während die mechanische Stabilität des Materials zur Lebensdauer und Zuverlässigkeit solcher Speichergeräte beiträgt.

Bislang waren Probleme mit der Skalierbarkeit ein Engpass bei der Einführung von Graphen in Anwendungen. Darüber hinaus ist die Integration von Graphen in bestehende Herstellungsprozesse eine technische Herausforderung.

Das Fraunhofer FEP verfügt über mehr als 30 Jahre Erfahrung in der Entwicklung von Schichtsystemen mit maßgeschneiderten Eigenschaften. Die Kernkompetenzen des Forschungsinstituts sind Elektronenstrahl- und Sputtertechnologien sowie Plasma-Oberflächentechnologien, z. B. für die Entwicklung von Rolle-zu-Rolle-Prozessen für homogene dünne Schichten.

Kürzlich hat das Fraunhofer FEP Fortschritte bei einer neuen Technologie für die Synthese von Graphen mittels PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition) gemacht und einen Proof of Concept für ein bahnbrechendes , kostengünstiges Verfahren zur Graphenabscheidung demonstriert.

Die derzeitigen Syntheseverfahren für Graphen erfordern die Anwendung hoher Temperaturen und den Einsatz von Katalysatoren. Das Fraunhofer FEP nutzt plasmagestützte Verfahren. Damit lässt sich das Parameterfenster für die Synthese von Graphen deutlich erweitern, so dass die Abscheidung auch bei niedrigeren Substrattemperaturen und gleichzeitig höheren Durchsätzen möglich ist.

Für die Entwicklung des neuen Verfahrens nutzt das Fraunhofer FEP die Vielseitigkeit der Inline-Beschichtungsanlage MAXI. Je nach Reifegrad des Prozesses bietet die multifunktionale Vakuumbeschichtungsanlage die Möglichkeit, Prozesse sowohl im Blatt-zu-Blatt- als auch im Rolle-zu-Rolle-Modus durchzuführen. Darüber hinaus ermöglicht die Vielfalt der Prozesse in der MAXI eine Pilotproduktion, die gute Voraussetzungen für die Entwicklung und Skalierung von Graphenbeschichtungsprozessen bietet.

Jetzt kann Graphen mit dem innovativen PECVD-Verfahren im Rolle-zu-Rolle-Verfahren auf Metallstreifen abgeschieden werden. Im ersten Schritt wird das Metallband im Vakuum mit einer dünnen Schicht eines Katalysatormaterials wie z.B. Kupfer beschichtet. Dadurch kann das gewünschte Substratmaterial unabhängig vom geeigneten Katalysatormaterial ausgewählt werden. Das beschichtete Metallband wird dann in eine Prozesseinheit geführt, die ein Argonplasma enthält. Dessen Argon-Ionen prallen auf das Substrat und erhitzen es in kürzester Zeit effizient. Durch Zugabe geeigneter Vorläufergase wie Methan oder Acetylen können die entsprechenden Moleküle in ihre Bestandteile gespalten und gleichzeitig teilweise ionisiert werden. Im Idealfall lagern sich die entstandenen Kohlenstoffatome und Ionen in einer einlagigen, gut geordneten 2D-Struktur auf dem Substrat ab, wodurch die gewünschte Graphenschicht entsteht.

Dank der Unterstützung durch Plasma-Ionen kann der Formgebungsprozess bei vergleichsweise niedrigeren Substrattemperaturen als bei anderen modernen Verfahren durchgeführt werden.

Mit dem neu entwickelten PECVD-Verfahren ist das Fraunhofer FEP in der Lage, Graphenschichten auf Metallbändern mit einer Breite von 280 mm bei einer Bandgeschwindigkeit von einem Meter pro Minute zu synthetisieren. Das Verfahren ermöglicht somit einen hohen Produktionsdurchsatz und ist mit Kosteneinsparungen für perspektivische Produktionsprozesse verbunden. Darüber hinaus ermöglicht die Technologie eine Ausweitung der verwendbaren Substratmaterialien, was zu einer breiteren Palette von Anwendungen führt.

Nun arbeitet das Fraunhofer FEP an der Reproduzierbarkeit der Ergebnisse und an der weiteren Verbesserung der Schichteigenschaften, z. B. der Anzahl der Graphenschichten. Darüber hinaus konzentriert sich das Institut auf die Verbesserung der präzisen Steuerung der Plasma- und Temperaturbedingungen für eine gleichmäßige Schichtqualität und -morphologie und den Wickelprozess des Heißbandes sowie die weitere Hochskalierung der aktuellen Prozessparameter.