Gelingt es, Graphen im industriellen Maßstab zu produzieren, dann wird einfacher Kohlenstoff sehr schnell die Elektronik revolutionieren. Eine Anwendung für die Halbleiterindustrie ist die direkte Integration von Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter.
Über Nacht wurde Graphen zum „Wundermaterial“ proklamiert - wegen seiner theoretischen Eigenschaften: Es ist 200 mal härter als Stahl, 6 mal so leicht, reißfest aber biegsam, umweltverträglich und das dünnste Material der Welt. Was es vor allem für die Elektronik prädestiniert ist, dass es bemerkenswert leitfähig bleibt, auch wenn es nur eine Atomlage dünn ist. Dabei ist Graphen nur eine besondere Form von Kohlenstoff. Es besteht aus einzelnen Lagen von wabenartig angeordneten Kohlenstoffatomen. Welche Bedeutung das Material für die Wissenschaft hat, zeigt der 2010 verliehene Nobelpreis an die russischen Physiker Andre Geim und Kostya Novoselov. Sie wurden für ihre grundlegenden Experimente zur Herstellung dieser zweidimensionalen Kohlenstoffmoleküle geehrt.
Doch so erstaunlich es ist, Graphen als atomar dünnes Material überhaupt herstellen und verarbeiten zu können, so schwer ist es, dies in einem industriellen Maßstab zu tun. Für die Wissenschaftler am Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF Anlass genug, dieses Eigenschaften zum einen in der Praxis zu testen. Zum anderen aber eine Industrie-kompatible Technologien zur Graphen-Abscheidung zu entwickeln. Als einer der Partner der Förderinitiative „Graphene Flagship“ arbeitet das IAF in Zusammenarbeit mit der EPCOS AG, einem Unternehmen der TDK Group, an einer effizienten Technologie zur Graphen-Abscheidung und dem Graphen-Transfer auf Aluminiumnitrid.
Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter
Das sind wichtige Arbeiten. Denn viele der möglichen Anwendungen von Graphen scheitern noch, weil derzeit das Herstellen des Materials zu aufwendig ist. Für Forscher wie dem Leiter der Graphenforschung am Fraunhofer IAF, René Hoffmann, ist die Entwicklung von wirtschaftlichen Herstellungs- und Verarbeitungstechnologien ist daher ein Muss. Das Ziel: „Die herausragenden theoretischen Eigenschaften von Graphen in der Praxis zu nutzen“, so Hoffmann. Ein vielversprechender Ansatz zur Graphen-Abscheidung auf großen Substraten, wie sie in der Halbleiterindustrie typisch sind, ist die chemische Gasphasenabscheidung.
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Bei diesem Vorgang wird eine Katalysatoroberfläche, zum Beispiel Kupfer, auf nahezu 1000 °C erhitzt, bis sich kohlenstoffhaltiges Gas auf der heißen Oberfläche zersetzt und zu Graphen reorganisiert. Künftig soll dieses Prinzip gemeinsam mit EPCOS zur Industrie-kompatiblen Technologie für die direkte Integration von Graphen auf Aluminiumnitrid-basierte Bandpassfilter weiterentwickelt werden.