28.11.2016
In Zusamenarbeit mit der Universität Bielefeld wird ein substrat-freier Kohlenstoffkondensator im Nanometerbereich (All-Carbon Nano Capacitor, ACNC) entwickelt. Bei diesem umweltfreundlichen Konzept wird Graphen als Elektrodenmaterial und eine Kohlenstoffnanomembran als Dielektrikum verwendet.
Kohlenstoffnanomembranen (CNM, engl. carbon nanomembrane) entstehen durch die Quervernetzung von selbstorganisierten monomolekularen Schichten mittels Elektronenbestrahlung. Diese Membranen sind mechanisch stabil und haben eine Dicke von 1-3 nm. Sie können großflächig erzeugt und auf andere Substrate transferiert werden.
Um die dielektrischen Eigenschaften der CNMs zu untersuchen, wurden erste Testschaltungen gefertigt (Bild 1) und vermessen. In unterschiedlichen Testschaltungen wurde 2- und 6-lagige Stapel von Quaterphenylthiol(QPT)- oder Terphenylthiol(TPT)-CNM zwischen rechtwinklig angeordnete Graphen Schichten platziert und diese dann mittels Goldelektroden kontaktiert. Durch Variation der Breite der Graphen-Schichten wurden unterschiedlichen Flächengrößen der Kapazitäten erzeugt. Die Strukturierung der einzelnen Schichten erfolgte mittels Elektronenstrahllithographie und mit Dünnschichttechniken wie Trockenätzen und Bedampfungsverfahren. Die gemessene Flächenkapazität der Testschaltungen (Bild 1 unten) lag zwischen 1,8 und 4,0 fF/µm2. Die Durchschlagsfestigkeit wurde mit ~0.4 GV/m gemessen.
Damit konnte erstmals die erfolgreiche Herstellung von Kohlenstoffkondensatoren demonstriert werden, die aus Graphen als Elektrodenmaterial und CNMs als Dielektrikum bestehen. Dank der Eigenschaften und der Größe der CNMs kann eine solche Nanokapazität extrem dünn (< 15nm) und biegsam aufgebaut werden. Das Stapeln der CNMs ermöglicht durch Erhöhung des Flächen-Volumenverhältnisses eine Steigerung der Gesamtkapazität.
Bild 1: Schematische (oben) und mikroskopische (unten) Ansicht einer in der PTB gefertigten Kohlenstoffkondensator-Testschaltung. Der Kondensator wird durch überlappende Graphen-Elektroden mit einem dazwischenliegenden Dielektrikum gebildet. Die laterale Größe der Kapazität wurde von 1 µm2 bis 2500 µm2 variiert.