Gracias a sus extraordinarias propiedades, como la transparencia, el efecto barrera y la conductividad, las capas de grafeno prometen grandes avances y aumentos de eficiencia en aplicaciones solares, almacenamiento de energía y vidrio inteligente. Hasta ahora, la falta de procesos de deposición escalables con capas de alta calidad y rentables ha impedido el avance de este prometedor material. Como parte del proyecto financiado por la UE NewSkin, el Instituto Fraunhofer de Tecnología de Plasma y Haz de Electrones (FEP) ha desarrollado un innovador proceso PECVD que permite la deposición de grafeno a altas velocidades de proceso y ofrece mayores rendimientos de producción y una gama más amplia de sustratos a temperaturas de proceso más bajas.
El grafeno tiene un potencial de rendimiento excepcional en aplicaciones que van desde las células solares, los diodos orgánicos emisores de luz (OLED), los dispositivos de almacenamiento de energía eléctrica y las ventanas inteligentes hasta las membranas, por ejemplo para la desalinización del agua de mar. Sus propiedades son impresionantes: el material es transparente, ligero y más resistente a la tracción que el acero. El grafeno también tiene una gran conductividad para el calor y la electricidad y es muy flexible. Los investigadores llevan varios años trabajando en la integración del grafeno como electrodo transparente en la energía fotovoltaica o en los OLED, por ejemplo para pantallas táctiles curvadas o para aumentar la eficiencia de las células solares. Gracias a su elevada conductividad eléctrica, el grafeno puede contribuir a acelerar los ciclos de carga y descarga en dispositivos de almacenamiento de energía como baterías o supercondensadores. Su gran superficie también permite aumentar la capacidad y la densidad energética, mientras que la estabilidad mecánica del material contribuye a la vida útil y la fiabilidad de estos dispositivos de almacenamiento.
Hasta ahora, la escalabilidad del grafeno depositado con una alta calidad constante ha limitado su uso. Además, la integración del grafeno en los procesos de fabricación existentes plantea un reto técnico.
El Fraunhofer FEP cuenta con más de 30 años de experiencia en el desarrollo de capas y sistemas de capas a medida. Gracias a sus competencias básicas en tecnología de haces de electrones y plasma, así como en el desarrollo de procesos para la deposición de capas finas homogéneas, por ejemplo en procesos rollo a rollo, los investigadores están trabajando en una nueva tecnología para la síntesis de grafeno mediante PECVD (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). En el marco del proyecto financiado por la UE NewSkin (FKZ 862100) se han sentado las primeras bases importantes para futuros procesos rentables de deposición de grafeno.
Esquema del proceso de síntesis de grafeno por PECVD
Proceso de plasma para una producción más eficaz de grafeno
Los actuales procesos de síntesis del grafeno requieren la aplicación de altas temperaturas y el uso de catalizadores. Los científicos del Fraunhofer FEP, en cambio, utilizan procesos asistidos por plasma. Esto permite ampliar considerablemente la ventana de parámetros para la producción de grafeno, de modo que también es posible la deposición a temperaturas de sustrato más bajas y, al mismo tiempo, con mayores rendimientos. Los investigadores de Fraunhofer FEP utilizaron la versatilidad del sistema de recubrimiento en línea MAXI para desarrollar el nuevo proceso. Dependiendo de la madurez de desarrollo del proceso, el sistema de vacío multifuncional ofrece la posibilidad de llevar a cabo procesos tanto en modo hoja a hoja como en modo rollo a rollo. La variedad de procesos se extiende a la producción piloto, lo que convierte al sistema en una buena base para el desarrollo y escalado de procesos de deposición de grafeno.
El Dr. Stefan Saager, Director del Grupo de Tecnología de Recubrimientos Metálicos y Energéticos, explica la tecnología: "El grafeno puede depositarse sobre bandas metálicas mediante el proceso PECVD desarrollado. Para ello se utiliza el modo rollo a rollo del sistema MAXI. En el primer paso, la tira metálica se recubre con una fina capa de un material catalizador, como el cobre, en el vacío.
Esto permite seleccionar el material de sustrato deseado independientemente del material catalizador adecuado. Inmediatamente después, la banda metálica recubierta se traslada a una unidad de proceso con una descarga de plasma de argón. Los iones de argón allí generados chocan con el sustrato y lo calientan con gran eficacia en muy poco tiempo. Si se añade un gas precursor adecuado, como metano o acetileno, en las proximidades de la descarga de plasma, las moléculas respectivas pueden descomponerse en sus componentes individuales e ionizarse parcialmente al mismo tiempo.
Idealmente, los átomos de carbono y los iones generados en este proceso se depositan sobre el sustrato en una estructura 2D ordenada de una sola capa, creando así la capa de grafeno deseada".
Gracias al apoyo de los iones presentes en el plasma, el proceso de formación puede realizarse a temperaturas del sustrato comparativamente más bajas de lo que era posible anteriormente con otros procesos de última generación.
Con el nuevo proceso PECVD, los investigadores de Fraunhofer FEP ya han podido sintetizar grafeno en una anchura de 280 mm a velocidades de proceso de un metro por minuto. De este modo, el proceso permite un alto rendimiento de producción y el consiguiente ahorro de costes para futuros procesos de producción. Además, la tecnología permite ampliar los materiales de sustrato que pueden utilizarse y, por tanto, la gama de aplicaciones.
Reproducibilidad y optimización a la orden del día
En el siguiente paso, los científicos del Fraunhofer FEP están trabajando en la reproducibilidad de los resultados y en seguir mejorando las propiedades de las capas conseguidas, por ejemplo en lo que respecta al número de capas de grafeno. Otro reto del desarrollo de la nueva tecnología radica en el control preciso de las condiciones de plasma y temperatura para obtener calidades y morfologías uniformes de las capas. En el futuro, también se investigará la mejora del proceso de bobinado de la cinta caliente y el escalado de los parámetros de proceso existentes.
Con los resultados obtenidos, los conocimientos técnicos existentes y el equipamiento de la planta, el Fraunhofer FEP ofrece a los fabricantes de los sectores de la electrónica y las energías renovables, así como a otras empresas tecnológicas e instituciones de investigación, una base para proyectos destinados a seguir desarrollando y escalando procesos para la síntesis de grafeno.
