Was ist Graphen?
Graphen (englisch: graphene) ist ein blattförmiges Material, das vollständig aus Kohlenstoffatomen besteht.
Die Kohlenstoffatome verbinden sich zu einer hexagonalen Wabenstruktur, die wiederum eine zweidimensionale Streustruktur bildet. Es ist in der Höhenrichtung nicht geordnet und daher nur so dick wie ein Kohlenstoffatom. Es ist daher sehr dünn und transparent.
Verwendungszwecke von Graphen
Graphen wird aufgrund seiner hervorragenden Transparenz, thermoelektrischen und elektrischen Leitfähigkeit in einer Vielzahl von Bereichen eingesetzt.
1. Elektronik
Aufgrund seiner sehr dünnen und transparenten Eigenschaften eignet sich Graphen für Display-Anwendungen. Graphen hat außerdem die schnellste Elektronenübertragungsgeschwindigkeit aller Materialien bei Raumtemperatur. Daher wird erwartet, dass es auch in transparenten Berührungsbildschirmen, leitfähigen Folien und Solarzellen Anwendung finden wird. Außerdem ist es chemikalien- und hitzebeständig und wird daher als Alternative zu Silizium und anderen Materialien gehandelt.
2. Fasern
Graphen selbst lässt sich nur schwer zu Fasern verarbeiten, aber die Entwicklung von Fasern, die Graphen enthalten, schreitet voran. Fasern, die Graphen enthalten, haben ähnliche Funktionen wie Graphen und werden daher voraussichtlich als neuartige Materialien in verschiedenen Industriezweigen eingesetzt werden. Vor allem in der Bekleidungsindustrie findet Graphen große Beachtung, da es die für Bekleidung erforderlichen Funktionen voll erfüllt.
Das Prinzip von Graphen
Graphen ist leitfähig, weil sich die Elektronen, die die 2pz-Orbitale der Kohlenstoffatome besetzen, in der Ebene frei bewegen können. Jedes Kohlenstoffatom hat vier Valenzelektronen. Drei dieser Valenzelektronen sind in sp2-Hybridorbitalen (Orbitalen in Blattrichtung) und das verbleibende im 2pz-Orbital (Orbitalen senkrecht zum Blatt) verteilt.
Valenzelektronen, die die 2pz-Orbitale besetzen, sind freie Elektronen und können sich innerhalb des Graphens frei bewegen. Dies macht Graphen zu einem hervorragenden elektrischen Leiter.
Weitere Informationen über Graphen
1. Wie Graphen hergestellt wird
Graphen, das Material aus dem Forschungsthema, für das der Nobelpreis für Physik 2010 verliehen wurde, kann durch eine einfache Technik hergestellt werden: Auf Graphit (Graphit), das aus Schichten von Kohlenstoffatomen besteht, wird ein Klebeband aufgebracht, das dann abgezogen wird, und das an der Klebebandoberfläche haftende Graphen wird gesammelt.
* Andre Geim und Konstantin Novoselov erhielten 2010 den Nobelpreis für ihre Leistungen im Bereich Graphen.
Im Gegensatz zu der früheren physikalischen Methode zur Herstellung von Graphen ist die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) eine Methode zur chemischen Herstellung von Graphen. Graphen kann durch eine chemische Reaktion der Gase Methan, Wasserstoff und Argon auf einem erhitzten Substrat hergestellt werden.
2. Preis von Graphen
Der Preis von Graphen variiert je nach Anzahl der Graphenschichten, seiner Größe, seinem Gewicht und der Art des Substrats. Graphen wird in Form von Monoschichten, Multischichten oder als Pulver verkauft. Im Falle von Membranen wird Graphen grundsätzlich auf ein anderes Metall als Substrat geschichtet.
Zu den Substraten gehören Metallsubstrate wie Kupferfolie, anorganische Substrate wie Siliziumdioxid und Quarz sowie Polymersubstrate wie PET (Polyethylenterephthalat) und PVC (Polyvinylzellulose).
Die Wahl des Substrats hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Graphen auf Substraten wie Quarz wird durch Übertragung von Graphen hergestellt, das zuvor auf einem Kupfersubstrat produziert wurde, so dass Verunreinigungen wie Übertragungsmaterial vorhanden sein können. Verunreinigungen können durch Waschen mit einem organischen Lösungsmittel wie Aceton oder durch Erhitzen entfernt werden.
Kleine Membranen sind oft schon für einige zehntausend Yen erhältlich. So ist beispielsweise eine 1 cm x 1 cm große Membran im Handel für etwa 30 000 JPY erhältlich (Preis vom Februar 2021). Die Preise steigen mit zunehmender Größe, wobei einige Größen mehrere hunderttausend Yen kosten.
Graphit in Pulverform ist ebenfalls erhältlich, aber auch hier liegen die Preise bei mehreren zehntausend Yen für einige hundert Milligramm. Der Grad der Defekte in ein und demselben Graphen variiert von Hersteller zu Hersteller. Der Grad der Defekte lässt sich anhand von Raman-Spektren einfach abschätzen.