Herstellung von freitragenden Graphenmembranen mit hohem Ertrag
Forscher des Lehrstuhls für Elektronische Bauelemente der RWTH Aachen und der AMO GmbH haben eine Methode demonstriert, mit der sich große Arrays von Mikrohohlräumen, die mit einer Graphenmembran versiegelt sind, mit hohem Ertrag herstellen lassen.
(a,b) Beispiele für Anordnungen von aufgehängten Graphenmembranen über geschlossenen Kavitäten, die mit der von Lukas und Mitarbeitern entwickelten Methode hergestellt wurden. Die Membranen werden mit einer automatisierten SEM-Routine analysiert. Intakte Membranen sind grün hervorgehoben, gebrochene Membranen rot. (c,d) Die Gesamtzahl der entdeckten Membranen pro Probengruppe und die Anzahl der intakten Membranen sind in den Feldern c und d dargestellt.
Hohe mechanische Festigkeit, extreme Dünnheit und außergewöhnliche Hermetizität machen Graphen zu einem idealen Material für die Realisierung mikro- und nanoelektromechanischer Systeme auf Basis freitragender Membranen. Hochempfindliche Drucksensoren, Mikrofone, Beschleunigungsmesser, Masse- und Gassensoren auf der Basis von freitragenden Graphenmembranen wurden bereits demonstriert, aber der Weg dieser Innovationen in die industrielle Anwendung wird noch durch das Fehlen zuverlässiger und skalierbarer Herstellungsmethoden behindert.
Sebastian Lukas und seine Kollegen vom Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente der RWTH Aachen und der AMO GmbH haben nun eine Methode demonstriert, mit der sich großflächige Arrays von Mikrokavitäten, die durch Graphenmembranen abgedichtet werden, mit hohem Ertrag (bis zu 99% Ertrag bei Membranen mit wenigen µm Durchmesser) herstellen lassen. Die Methode basiert auf einem „heißen und trockenen“ Transferprozess von großflächigem Graphen auf vorgefertigte Hohlräume, wobei sich „heiß“ auf die Verwendung hoher Temperaturen während des Transfers bezieht, um die Haftung des Graphens auf dem Substrat mit den Hohlräumen zu fördern, und „trocken“ auf die Abwesenheit von Flüssigkeiten, wenn Graphen und Zielsubstrat in Kontakt gebracht werden.
Um die Ausbeute ihrer Herstellungsmethode systematisch zu untersuchen, nutzten Lukas und seine Kollegen eine automatisierte Objekterkennungsroutine, mit der sie mehr als 2.000.000 Membranen im Rasterelektronenmikroskop (REM) analysieren konnten. Diese große Zahl macht die Arbeit statistisch sehr aussagekräftig. Die Membranen wurden zusätzlich mit Raman-Spektroskopie und Rasterkraftmikroskopie (AFM) untersucht, um zu bestätigen, dass die Membranen freitragend sind. Die gleichen Untersuchungen wurden auch an Membranen durchgeführt, die durch den Transfer von Graphen mit der von Applied Nanolayers (Niederlande) entwickelten Trockentransfermethode hergestellt wurden, sowie an Membranen, die auf einem am Fraunhofer IZM hergestellten 150 mm-Wafer hergestellt wurden.
Die von Lukas und Kollegen entwickelte Herstellungsmethode führt zu einer höheren Quote intakter Membranen als bisher in der Literatur beschrieben. Die Skalierbarkeit des Ansatzes für die großflächige Herstellung wurde zudem im Rahmen des 2D-EPL-Multiprojekt-Waferlaufs demonstriert. Die Graphenmembranen wurden anschließend zur Herstellung piezoresistiver Drucksensoren verwendet, die eine Empfindlichkeit von 0,5 bis 3,0 × 10-6 mbar-1 zeigten, was mit den zuvor berichteten Werten für piezoresistive Graphenmembran-Drucksensoren übereinstimmt.
Diese Ergebnisse zeigen das Potenzial der vorgeschlagenen Herstellungsmethode für die industrielle Produktion von Graphenmembranen für Sensoranwendungen. Die Technologie kann mit geringfügigen Prozessänderungen auch auf andere 2D-Materialien übertragen werden, um die überlegenen piezoresistiven Eigenschaften dieser Materialien zu nutzen, wie z.B. die Übergangsmetall-Dichalkogenide MoS2 und PtSe2.
Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift ACS Nano veröffentlicht.
Die Arbeit ist das Ergebnis einer Kooperation zwischen dem Lehrstuhl für Elektronische Bauelemente (ELD), der AMO GmbH und deren Forschungspartnern am Fraunhofer IZM und der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin sowie einer kommerziellen Kooperation mit Applied Nanolayers, B.V. (Niederlande).
Bibliographische Informationen
High-Yield Large-Scale Suspended Graphene Membranes over Closed Cavities for Sensor Applications
Sebastian Lukas, Ardeshir Esteki, Nico Rademacher, Vikas Jangra, Michael Gross, Zhenxing Wang, Ha-Duong Ngo, Manuel Bäuscher, Piotr Mackowiak, Katrin Höppner, Dominique J. Wehenkel, Richard van Rijn, and Max C. Lemme
ACS Nano 2024 18 (37), 25614-25624
DOI: 10.1021/acsnano.4c06827
