Hochwertiger Graphit zeichnet sich durch hervorragende mechanische Festigkeit, thermische Stabilität, hohe Flexibilität und eine sehr hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit in der Ebene aus. Dadurch zählt er zu den wichtigsten Hochleistungsmaterialien für zahlreiche Anwendungen, beispielsweise als photothermischer Leiter in Telefonbatterien. Ein spezielles Graphitmaterial, hochgeordneter pyrolytischer Graphit (HOPG), ist beispielsweise eines der am häufigsten in Laboren verwendeten Materialien. Diese hervorragenden Eigenschaften beruhen auf der Schichtstruktur des Graphits. Starke kovalente Bindungen zwischen den Kohlenstoffatomen in den Graphenschichten tragen zu den ausgezeichneten mechanischen Eigenschaften sowie der thermischen und elektrischen Leitfähigkeit bei, während die Wechselwirkung zwischen den Graphenschichten sehr gering ist. Dies führt zu einer hohen Flexibilität. Obwohl Graphit seit über 1000 Jahren in der Natur vorkommt und seine künstliche Synthese seit über 100 Jahren erforscht wird, ist die Qualität von Graphitproben, sowohl natürlichen als auch synthetischen Ursprungs, noch weit von ideal entfernt. Die größten Graphit-Einkristalldomänen in Graphitmaterialien messen typischerweise weniger als 1 mm, was im deutlichen Gegensatz zur Größe vieler Kristalle wie Quarz- und Silizium-Einkristalle steht. Diese können Größen von bis zu einem Meter erreichen. Die geringe Größe von Graphit-Einkristallen ist auf die schwache Wechselwirkung zwischen den Graphitschichten zurückzuführen. Zudem lässt sich die Ebenheit der Graphenschicht während des Wachstums nur schwer aufrechterhalten, wodurch Graphit leicht in ungeordnete, einkristalline Korngrenzen zerfällt. Um dieses zentrale Problem zu lösen, haben Professor Emeritus vom Ulsan National Institute of Science and Technology (UNIST) und seine Mitarbeiter, darunter Prof. Liu Kaihui und Prof. Wang Enge von der Peking-Universität, eine Strategie zur Synthese dünner Graphit-Einkristallfilme im Zentimeterbereich entwickelt. Ihr Verfahren verwendet eine Nickel-Einkristallfolie als Substrat. Kohlenstoffatome werden von der Rückseite der Nickelfolie durch einen isothermen Lösungs-Diffusions-Abscheidungsprozess zugeführt. Anstelle einer gasförmigen Kartonquelle wählten sie ein festes Kohlenstoffmaterial, um das Graphitwachstum zu fördern. Diese neue Strategie ermöglicht die Herstellung von einkristallinen Graphitfilmen mit einer Dicke von etwa 1 Zoll und 35 Mikrometern, was mehr als 100.000 Graphenschichten innerhalb weniger Tage entspricht. Im Vergleich zu allen verfügbaren Graphitproben weist einkristalliner Graphit eine Wärmeleitfähigkeit von ~2880 W m⁻¹K⁻¹, einen vernachlässigbaren Anteil an Verunreinigungen und einen minimalen Schichtabstand auf. (1) Die erfolgreiche Synthese großflächiger einkristalliner Nickelfilme als ultraflache Substrate verhindert die Unordnung des synthetischen Graphits. (2) 100.000 Graphenschichten werden isotherm in etwa 100 Stunden erzeugt, sodass jede Graphenschicht unter gleichen chemischen Bedingungen und bei gleicher Temperatur synthetisiert wird, was die gleichmäßige Qualität des Graphits gewährleistet. (3) Die kontinuierliche Zufuhr von Kohlenstoff über die Rückseite der Nickelfolie ermöglicht ein kontinuierliches Wachstum der Graphenschichten mit sehr hoher Geschwindigkeit, etwa eine Schicht alle fünf Sekunden.“
Veröffentlichungsdatum: 09.11.2022