TIGeR - Tribologische Innovation mit Graphenen: Ansätze zur extremen Reibminderung. Abschlussbericht. Laufzeit des Vorhabens 01.08.2010 - 31.07.2012

in BMBF-Forschungsbericht. Bundesministerium für Bildung und Forschung; 1-24; BMBF-Forschungsbericht. Bundesministerium für Bildung und Forschung
; 2012
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Abstract

Der voraussichtliche Nutzen der Ergebnisse wird im Sinne eines wissenschaftlichen Vorprojekts beschrieben mit Blick auf die Bezüge der wissenschaftlichen Ergebnisse zu zukünftigen industriellen Anwendungen, auf die Ergänzung bereits bekannter Ergebnisse und auf die Auswirkung der grundlegenden Ergebnisse auf industriegeführte Verbundförderung. Bei der Bewertung der weiter entwickelten experimentellen Methoden (AP 1.1 und AP 1.5) ist die Bedeutung der Rasterkraftmikroskopie enger zu fassen. Die Rasterkraftmikroskopie ist hervorragend geeignet, die Qualität von Graphenfilmen und deren Verschleiß in tribologischen Experimenten zu bewerten, solange das Substrat eine Rauhigkeit aufweist, die im relevanten Längenbereich kleiner ist als die Dicke des Graphenfilms. Das ist zum Beispiel für Siliziumwafer und Siliziumkarbidwafer der Fall, die gerade in der Herstellung von mikroelektromechanischen Systemen eine wichtige Rolle spielen. Für Proben, die eine ausgeprägte MikroStruktur aufweisen, wie etwa polykristalline Materialien oder Beschichtungen mit starkem Inselwachstum, kann die topographische Abbildung mit dem Rasterkraftmikroskop nicht zu einer Charakterisierung der Bedeckung mit Graphen beitragen. Allerdings zeigt sich, dass die Reibungskraftmikroskopie zumindest die Vollständigkeit der Bedeckung bewerten kann, da in allen untersuchten Systemen eine extrem niedrige Reibung auf Grapheninseln gefunden wurde. Das Auffinden von Verschleißspuren in Graphen mit Hilfe der optischen Mikroskopie zur weiteren Analyse mittels Rasterkraftmikroskopie hat sich als unpraktikabel erwiesen. Die Integration von Tribometer und Rasterkraftmikroskopie in einem Instrument, die inzwischen sowohl beim Projektpartner KIT als auch am INM realisiert wurde, ist dagegen sehr gut geeignet, Verschleiß auf atomarer Skala aufzufinden und nachzuweisen. In allen Experimenten hat sich gezeigt, dass Graphen ein hervorragender Schmierstoff für SiC ist (µ<0.05), dass aber der Verschleiß der Graphenlagen innerhalb weniger Reibungszyklen auch durch eine hohe Qualität des Graphenfilms nicht zu verhindern ist. Eine technologische Nutzung des Systems bietet sich nicht an. Allerdings haben die Ergebnisse gezeigt, dass die Oberfläche der SiC Wafer, die nach dem Verschleiß des Graphenfilms exponiert wird, eine stabile und ebenfalls niedrig reibende Oberfläche ist. Als Hypothese für zukünftige anwendungsorientierte Projekte bietet es sich an, kohlenstoffreiche Oberflächen mit Graphitstruktur zu untersuchen, die jedoch eine chemische Bindung an das Substrat aufweisen. Die Graphenlagen, die durch die Methode der Flüssigphasenabscheidung auf Platinober flächen erzeugt wurden, zeigen zwar tatsächlich eine sehr niedrige Reibung. Allerdings ist es nicht gelungen, eine durchgehende Bedeckung der Proben zu erreichen, die durch Gasphasenabscheidung durchaus erreicht wurde. Die Relevanz dieses Unterschieds können allerdings nur zukünftige mikro- oder makrotribologische Experimente zeigen. Es ist jedenfalls festzuhalten, dass Graphenlagen auf Platin außerordentlich stabil sind. Die Hoffnung, dass das Graphenwachstum auf polykristallinem Kupfer gerade durch eine Bedeckung der Korngrenzen zu einer besonders effektiven Schmierung führen kann, hat sich nicht bestätigt. Die Graphenlage folgt in ihrer Körnigkeit dem Kupfersubstrat. Weiterhin ist festzustellen, dass die Präparation von Graphen auf Kupfer zu einer Facettierung der Oberfläche führt, deren Rauhigkeit alle möglichen Schmiereffekte der Graphenlage irrelevant macht. Die Übertragung der Ergebnisse für das Wachstum von Graphenlagen von SiC Einkristallwafern auf polykristalline SiC-Proben ist zunächst nicht gelungen. Das in diesen Experimenten entstandene Material mit seiner graphitischen Bedeckung, die eine von der Kornausrichtung abhängige Reibung zeigt, ist jedoch als ein interessanter Werkstoff für zukünftige Untersuchungen zu bewerten.