Graphen für reale Geräte nutzbar machen

Graphen hat einzigartige und herausragende Eigenschaften, die es zu einem Metall mit großem Potenzial für die Herstellung verschiedener technologischer Geräte machen: Es ist extrem dünn, elektrisch und thermisch leitfähig, leicht, transparent und viel stärker als Silizium. Doch trotz dieser Eigenschaften wurde Graphen aufgrund einer Reihe praktischer Probleme noch nicht für diese technischen Geräte verwendet.

Eine der praktischen Herausforderungen ist die Wärmeleitfähigkeit von Graphen, insbesondere für hergestellte Geräte. In diesem Fall muss das Graphen auf einem Substrat getragen werden, was die Wärmeleitfähigkeit des Metalls verringert. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist für jedes elektronische Gerät sehr wichtig. Um dieses Problem zu lösen, denken die Forscher über neue Möglichkeiten nach, Graphen mit der makroskopischen Welt zu verbinden, z. B. durch die Verwendung dreidimensionaler, miteinander verbundener Graphen-Strukturen. Sie können auch eine ultradünne Graphitstruktur oder ein hexagonales Bornitrid verwenden, deren Strukturen dem Graphen sehr ähnlich sind.

Ein weiteres Problem bei Graphen ist das Schmelzen, da es mit Kunststoffen überzogen werden muss. Mit steigender Temperatur kann sich das elastische Polymersubstrat in eine gummiartige oder geschmolzene Substanz verwandeln, die die darauf befindlichen elektronischen Substanzen zerbricht und die winzigen leitenden Drähte, die elektronische Geräte miteinander verbinden, ausfallen lässt. Laut Li Shi, einem Maschinenbauingenieur an der University of Texas in Austin, kann dieses Problem durch eine Verbesserung der Qualität der Schnittstelle angegangen werden, um die Leitfähigkeit der Schnittstelle zu erhöhen.

Shi und sein Forschungsteam schlagen außerdem vor, dass die thermische Energiespeicherung von Graphen ebenfalls verbessert werden könnte, um die praktischen Herausforderungen zu bewältigen. So können die Hersteller beispielsweise ultradünne Graphenschäume verwenden, um die Leistungskapazität von Geräten aus Graphen zu erhöhen. Dies würde dadurch erreicht, dass die Geschwindigkeit, mit der Wärme in die Phasenumwandlungsmaterialien, die zur Speicherung von Wärmeenergie verwendet werden, geladen und entladen wird, verstärkt wird. Ein weiterer Durchbruch liegt im Verständnis des Konzepts grundlegender Energieträger und ihrer Streuung, wie z. B. Photonen, Elektronen und Moleküle. Das Verständnis des Konzepts der Photonenstreuung kann helfen, Gitterwellen zu verstehen und schließlich das Problem der Wärmeleitfähigkeit zu lösen, wenn andere Materialien Graphen unterstützen.

Samsung hat auch einen Durchbruch bei der Frage erzielt, wie Graphen in realen Geräten eingesetzt werden kann. Diese neue Technologie konzentriert sich auf die Entwicklung von hochwertigem kristallinem Graphen, das auf Siliziumwafern aufgebaut wird. Auf diese Weise soll Graphen hergestellt werden, das für die Produktion von Graphen-Feldeffekttransistoren (GFETs) geeignet ist. Selbst wenn sich das Graphen abgelöst hat, können die Siliziumscheiben für eine weitere Produktion recycelt werden.