Herstellung vollständig flexibler und transparenter Graphen-basierter OLED-Geräte
Bei Graphen, das aus gebundenen Atomen besteht, die Schichten bilden, welche eine Dicke von lediglich einem Atom messen, handelt es sich um das dünnste bekannte und möglicherweise härteste Material. Aufgrund des hohen Festigkeit-Masse-Verhältnisses des Materials eignet sich dieses ideal für eine Vielzahl von Anwendungen, die von biegsamen elektronischen Teilen und dünnen Lichtquellen zu optimierten Solarzellen und Produktverpackungen reichen. Dank seiner herausragenden optischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften ist Graphen ebenfalls ein überaus vielversprechender Kandidat für eine neue Generation transparenter Elektroden. Bislang stellte Indiumzinnoxid (Indium Tin Oxide, ITO) das marktführende Material zur Herstellung transparenter OLED-Elektrodenmaterialien dar. ITO-Elektroden sind jedoch brüchig und der Rohstoffmangel sowie eine ansteigende Nachfrage stellen eine ökonomische Herausforderung für die Verwendung in der Industrie dar. Im Rahmen des EU-finanzierten Projekts GLADIATOR (Graphene layers: Production, characterization and integration) entwickelten Wissenschaftler erfolgreich eine funktionell flexible OLED-Lichttafel, die auf Graphen-Elektroden basiert. Die neuen Herstellungstechniken, die bei dem Projekt zum Einsatz kamen, vereinfachen die Produktion weniger kostenintensiver, qualitativ hochwertigerer und großflächigerer Graphenschichten in einem industriellen Maßstab. Hierdurch wird Graphen hinsichtlich transparenter Elektroden mit einem weitaus geringeren Widerstand zu einer wichtigen Alternative zu ITO. Massenherstellung qualitativ hochwertigen Graphens Eine Roll-to-Roll-Produktion im großen Maßstab, die auf chemischer Gasphasenabscheidung (Chemical Vapour Deposition, CVD) basiert, wurde erstmalig im Jahr 2010 demonstriert. Das Projektteam nutzte diese vielversprechende Methode zur Entwicklung qualitativ hochwertiger Graphenschichten in einem großen Maßstab. „In einer kontrollierten Umgebung führten Wissenschaftler einer Wafer-Platte aus Kupfer eine Mischung aus Methan und Wasserstoff zu. Hierdurch wird eine chemische Reaktion ausgelöst, die dazu führt, dass sich das Methan im Kupfer auflöst, aufgrund der gesättigten Kupferoberfläche beginnt das Graphen zu wachsen und sich auszudehnen. Nach dem Herunterkühlen wird das Graphen über einen Polymerträger auf das gewünschte Substrat übertragen. Diese zweischichtige Struktur, die aus Polymer-Träger und Graphen besteht, wird daraufhin von dem Kupfer-Wafer abgetragen und an dem Ziel-Substrat aufgebracht. Nach der Entfernung dieses Polymerträgers lässt sich die Graphen-Elektrodenfläche so strukturieren, dass die Herstellung elektronischer Geräte möglich ist“, erklärt Projektkoordinatorin Beatrice Beyer. Auch wenn das CVD-Verfahren eine der besten Methoden zur Graphenherstellung ist, gestaltet sich die Produktion von qualitativ hochwertigem Graphen nach wie vor problematisch. Die GLADIATOR-Wissenschaftler konnten allerdings erfolgreich die Katalysatoren optimieren und die katalytische Wirkung des Substrats steigern. „Ein innovatives Verfahren, das auf der Verwendung eines wasserlöslichen Transferpolymers ((Poly)Vinylalkohol) basiert, ermöglichte dem Projektteam, Graphen mit einer Länge von 300 mm auf A4-große Barrierefolien zu übertragen. Hierdurch wurde die fünfmalige Wiederverwendung der kostenintensiven Kupferkatalysatoren ohne Auswirkungen auf die Graphen-Qualität demonstriert“, fährt Dr. Beyer fort. Wissenschaftler erzielten durch externe Dotierung außerdem wichtige Fortschritte im Hinblick auf die Graphen-Leitfähigkeit. Die Dotierstoffe Aurichlorwasserstoffsäure und Iod ermöglichten die beste Dotierungseffizienz bei den getesteten Materialien und es wurden spezielle Methoden entwickelt, um deren Stabilität zu verbessern. Funktioneller Graphen-Transfer Die Übertragung großflächigen Graphens von der Wachstumsoberfläche an das Gerätesubstrat ist gleichzeitig eine der größten Herausforderungen und einer der zentralen Engpässe im Hinblick auf die Kommerzialisierung. Das Projektteam untersuchte unterschiedliche Transfertechniken. Hierzu zählten die Übertragung durch ein Ätzverfahren, ein auf Wasserstoffentwicklung basierendes elektrochemisches Transferverfahren und ein innovatives elektrochemisches Transferverfahren, das an der Kupfer-Graphen-Grenzfläche eine kontrollierte Oxidation und Reduktion von Kupfer nutzt. Bei verstärkter Fokussierung auf letztgenanntes Verfahren senkten die Wissenschaftler die durchschnittliche Delaminationszeit für großflächige Schichten um eine Größenordnung und es wurde die Möglichkeit untersucht, kleinere Platten zu entfernen und diese wieder miteinander zu verbinden, um eine größere zusammenhängende Fläche in Form eines Graphen-„Flickenteppichs“ zu bilden. Gefahrenbewertung Erstmals untersuchten Wissenschaftler potenzielle Gesundheitsrisiken, die in Zukunft mit einer umfangreichen Graphen-Produktion in Produktionsumgebungen verbunden sein könnten. Die Ergebnisse zeigten, dass sich eine unerhebliche Konzentration von Graphen-Partikeln in der Luft befand. In-vivo-Experimente zeigten, dass Graphen Zelltoxizität verursacht und genotoxische Auswirkungen aufweist. Große Graphen-Größen sind für die erfolgreiche Kommerzialisierung von Graphen von entscheidender Bedeutung. Das aus 16 Partnern bestehende Konsortium von GLADIATOR erreichte die kritische Masse für die Entwicklung einer Technik, welche die Herstellung großflächigen Graphens verbessert. Im Zuge des Projekts wurde eine Patentierung erzielt und es wurden mehrere namhafte Publikationen veröffentlicht. Die potentiellen sozioökonomischen Auswirkungen könnten von enormer Bedeutung sein.
Schlüsselbegriffe
Graphen, OLED-Lichttafeln, transparente Elektroden, GLADIATOR, chemische Gasphasenabscheidung
