Graphen ist ein außergewöhnliches Material. Es besitzt eine sehr hohe elektrische und thermische Leitfähigkeit sowie eine besondere mechanische Festigkeit und Elastizität. Als dünne Schicht wird Graphen für eine Vielzahl potentieller Anwendungen diskutiert. Dazu zählen beispielsweise elektrische Energiespeicher, Solarzellen, Smart Windows, OLEDs und Displays. Auch deshalb wurde im Jahr 2010 der Nobelpreis für Pionierabreiten zu Graphen vergeben.
Zurzeit fehlt es allerdings an Prozessen zur kostengünstigen und implementierbaren Herstellung von Graphen-Schichten. Das Anfang Dezember 2016 am Fraunhofer-Institut für Organische Elektronik, Elektronenstrahl- und Plasmatechnik FEP gestartete proGraph-Projekt soll helfen, diese Hürde zu überwinden. Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Initiative „Wissenschaftliche Vorprojekte“ gefördert.
Ziel von proGraph ist die Erforschung eines neuartigen, industriell einsetzbaren Prozesses zur Abscheidung von Graphen-Schichten auf quasi beliebigen Substraten. Gegenwärtig verfügbare Prozesse zur Herstellung von Graphen-Schichten sind an eine hohe Substrattemperatur (ca. 1000°C) und an katalytisch wirksame Substratmaterialien (z.B. Kupfer) gebunden. Die Konsequenzen sind hohe Energiekosten sowie die Notwendigkeit eines weiteren Prozessschrittes zum Ablösen des Graphens vom Substrat, wobei häufig gar Beschädigungen entstehen. Die Innovation des Projektes besteht darin, durch einen neuartigen Prozess die Substrattemperatur wesentlich zu senken und Graphen-Schichten direkt auf katalysatorfreien Zielsubstraten abscheiden zu können.
Durch das Projekt werden die wesentlichen Probleme der gegenwärtigen Technologien zur Herstellung von Graphen-Schichten adressiert. Grundlage dafür liefert ein bestimmter Beschichtungsprozess – die plasmaunterstützte chemische Gasphasenabscheidung (PECVD-Prozess). Im Projekt soll erstmals der Einsatz eines Magnetron als Plasmaquelle in einem PECVD-Prozess für die Abscheidung von Graphen-Schichten untersucht werden (sog. magPECVD-Prozess).
Das Magnetron ist eine industriell etablierte Plasmaquelle mit spezifischen Vorteilen wie Skalierbarkeit und Langzeitstabilität. Neue Erkenntnisse aus der Grundlagenforschung belegen die essentielle katalytische Rolle von Kupfer-Dampf während der Graphen-Abscheidung. Dieser Ansatz wird im Projekt aufgegriffen, indem Kupfer direkt in die Plasmaquelle integriert und als Dampf dem Prozess zugeführt wird. Durch die Bereitstellung des Katalysators über die Plasmaquelle können somit auch katalysatorfreie Substrate beschichtet werden. Der Prozess ist damit wesentlich günstiger als bisherige und zudem nahezu universal einsetzbar.
Das proGrap-Projekt legt die technologischen Grundlagen für eine breite industrielle Anwendung von Graphen und stärkt damit die Wettbewerbsfähigkeit Deutschlands. Insbesondere der deutsche Anlagenbau profitiert von der neuen Prozesstechnik und stärkt damit seine exponierte Position im internationalen Vergleich.