石墨烯薄膜具有透明性、阻挡效应和导电性等出色特性，有望在太阳能应用、能源存储和智能玻璃应用领域取得重大进展并提高效率。迄今为止，由于缺乏可扩展的沉积工艺，无法以具有成本效益的产量获得始终如一的高质量石墨烯薄膜，这种前景广阔的材料一直未能取得突破性进展。作为欧盟资助项目 NewSkin（GA 编号：862100）的一部分，Fraunhofer FEP 开发出了一种创新的 PECVD 工艺，该工艺能以较高的工艺速度沉积石墨烯，并能在较低的工艺温度下提供更高的生产量和更广泛的基底。研究人员将于 2024 年 6 月 19-21 日在日本东京举行的世界制造技术大会（Manufacturing World Tokyo）上展示该工艺，展位号为 E 53-11。
催化剂涂层和石墨烯合成的实验装置© Fraunhofer FEP
石墨烯的 PECVD 合成工艺方案© Fraunhofer FEP
石墨烯有可能在太阳能电池、有机发光二极管（OLED）、电能存储设备或智能窗户，甚至用于海水淡化的薄膜等方面实现卓越的性能提升。石墨烯的惊人特性令人印象深刻：这种材料透明、轻质，强度超过钢铁。石墨烯还具有很高的导电性和导热性，并且非常灵活。
数年来，研究人员一直致力于将石墨烯作为透明电极集成到光伏或有机发光二极管中，例如用于曲面触摸屏或提高太阳能电池的效率。由于石墨烯具有高导电性，将其集成到电池或超级电容器等储能设备中是一种很有前景的提高充放电周期的方法。石墨烯的大表面积还能实现更高的容量和能量密度，而材料的机械稳定性则有助于提高此类存储设备的使用寿命和可靠性。
迄今为止，可扩展性问题一直是石墨烯应用的瓶颈。此外，将石墨烯融入现有制造工艺也是一项技术挑战。
Fraunhofer FEP 在开发具有定制特性的涂层系统方面拥有 30 多年的经验。该研究所的核心竞争力是电子束和溅射技术以及等离子体表面技术，例如用于开发均匀薄膜的卷对卷工艺。最近，Fraunhofer FEP 的研究人员在利用 PECVD（等离子体增强化学气相沉积）合成石墨烯的新技术方面取得了进展。作为欧盟资助项目 NewSkin（资助协议编号：862100）的一部分，Fraunhofer FEP 已经展示了一种开创性的低成本石墨烯沉积工艺的概念验证。
等离子工艺更高效地生产石墨烯
目前的石墨烯合成工艺需要使用高温和催化剂。另一方面，Fraunhofer FEP 的科学家们正在利用等离子体辅助工艺。这使得合成石墨烯的参数窗口显著扩大，从而可以在更低的基底温度和更高的产量下进行沉积。
为了开发这种新工艺，Fraunhofer FEP 的研究人员利用了在线镀膜工具 MAXI 的多功能性。根据工艺的成熟度，多功能真空镀膜设备可以在片对片和卷对卷模式下运行工艺。此外，MAXI 的各种工艺还可用于试生产，为石墨烯沉积工艺的开发和扩展提供了良好的先决条件。
金属和能源涂层技术组组长 Stefan Saager 博士解释了这项技术：”石墨烯可以通过创新的 PECVD 工艺以辊对辊模式沉积在金属带上。第一步，在真空中为金属带涂上一层薄薄的催化剂材料，例如铜。这样就可以选择所需的基底材料，而无需选择合适的催化剂材料。然后，将涂层金属带送入含有氩等离子体的处理装置。等离子体中的氩离子与基底碰撞，在极短的时间内有效加热基底。通过加入合适的前驱气体（如甲烷或乙炔），相应的分子可以裂解成其成分，并同时部分电离。理想情况下，产生的碳原子和离子以单层、有序的二维结构沉积在基底上，从而合成所需的石墨烯层。
由于等离子体离子的辅助作用，与其他最先进的工艺相比，石墨烯形成过程的基底温度相对较低。
利用新开发的 PECVD 工艺，Fraunhofer FEP 的研究人员已经能够以每分钟一米的速度在宽度为 280 毫米的金属带上合成石墨烯薄膜。因此，该工艺可实现较高的生产量，并为透视生产工艺节省成本。此外，该技术还能扩展可使用的基底材料，从而实现更广泛的应用。
可重复性和优化已提上日程
下一步，Fraunhofer FEP 的科学家们将致力于提高结果的可重复性，并进一步改进石墨烯层的特性，例如石墨烯层的数量。
新技术开发的另一个挑战是如何精确控制等离子体和温度条件，以实现均匀的层质量和形态。未来的研究还将侧重于改进热板的卷绕工艺，并进一步提升当前的工艺参数。
利用已取得的成果、现有的技术诀窍和设备，弗劳恩霍夫 FEP 为电子和可再生能源领域的制造商以及其他技术公司和研究机构提供了一个坚实的基础，以开展进一步开发和扩展石墨烯涂层工艺的项目。新工艺和弗劳恩霍夫 FEP 的其他能力将在东京世界制造业大会上展示。
Fraunhofer FEP 在东京世界制造业大会上：
日期2024 年 6 月 19 – 21 日
地点：日本东京有明国际展览中心日本东京有明国际展览中心
展位号：E 53-11
研讨会：2024 年 6 月 19 日；下午 2:00 – 2:30，1 号大厅
能源应用和可持续性的等离子体和表面技术
Fraunhofer FEP 的 Stefan Saager 博士
弗劳恩霍夫简介
弗劳恩霍夫日本代表处
关于 NewSkin 项目：
新技术的大部分成果都是在欧盟资助的 NewSkin 项目中取得的。
加速先进表面纳米技术产业化的创新生态系统”（NewSkin）项目由欧盟地平线 2020 研究与创新计划资助。
拨款协议编号：862100
项目期限01.04.2020 – 31.03.2024
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