Graphen und 2D-Materialien

Das ist die grundsätzliche Frage, die ein neuer Report des britischen Marktforschers IDTechEx aufwirft und gestützt auf eine Reihe von quantitativen Analysen und Interviews mit führenden Forschern und Entwicklern zu beantworten sucht.

Unter dem Titel ‚Graphene Market and 2D Materials Assessment 2021-2031' untersucht der IDTechEx-Analyst Dr. Richard Collins die derzeitige Situation und die längerfristige Entwicklung der entstehenden Märkte für die extrem dünnen Schichten aus Graphen und 2D-Materialien ähnlichen Typs mit nur wenigen Atomlagen. Seine Schlussfolgerung aus der Beobachtung zahlreicher internationaler Player, Forscher und Entwickler, lautet: Der Gesamtmarkt für 2D-Materialien und seiner noch kaum abzusehenden Anwendungen, vor allem in der Mikroelektronik könnte laut IDTechEx in den kommenden zehn Jahren ein Volumen von 700 Mio. $ erreichen.

Verglichen mit den um eine Größenordnung höheren Umsätzen traditioneller Halbleitermaterialien ist das immer noch eine recht bescheidene Summe. Aber immerhin eine Vervielfachung des derzeitigen Marktumfangs von weniger als 100 Mio. $ – das meiste davon in Form experimenteller Vorarbeiten mit Prototypen und Performance-Demonstrationen unterhalb des großtechnischen Einsatzes. Am stärksten profiliert bei der Graphen-Vermarktung, gemessen an der Erteilung von Patenten, haben sich bislang die Großfirmen Samsung und IBM. Als kurzfristig chancenreichste Vorstufe der Graphen/2D-Kommerzialisierung sieht Collins die ‚Graphen-Nanoplatelets' (Flocken), vor allem weil hier passende Marktkräfte und technologische Kompetenzen zusammenwirken.

Ein weiterer Aspekt der Zukunftsentwicklung ist, dass immer mehr Varietäten der 2D-Materialien mit diversen Parametern ihrer Morphologie und Formulation zur großtechnischen Erzeugung, etwa durch katalytische Verfahren oder Reduktion von Graphitoxid, entdeckt und analysiert werden - die Breite der möglichen und wahrscheinlich dominanten Anwendungen also immer weiter expandiert. Auch die ersten Ansätze zur Standardisierung und Qualifizierung als Gebrauchsmaterial und zugehöriger Rechtsvorschriften für dessen Sicherheit im Einsatz sind erkennbar.

In diesem Zusammenhang zu erwähnen sind auch die per SALD (Spatial Atomic Layer Deposition) erzeugten funktionalen TMD-Monolayer (Transition Metal Dichalcogenide) auf Siliziumsubstraten für die Halbleiterfertigung, mit ähnlichen Strukturen wie das auf Kohlenstoff basierende Graphen. In erster Linie gefragt sind hier Verbindungen wie MoS₂ (Molybdän-Disulfid) und Wolfram-Disulfid (WS₂), die neue schaltungstechnische Eigenschaften versprechen. Diese 2D-Beschichtungen werden durch spezielle Abscheidungsverfahren mit geeigneten Precursor-Materialien aus der Gasphase erzeugt, auch spezifisch in ausgewählten Bereichen. Aktiv in der Entwicklung der selektiven Atomlagenabscheidung per SALD sind insbesondere die niederländische Eindhoven University of Technology (mit angeschlossenen Startup-Firmen und Forschungseinrichtungen wie TNO) und das Fraunhofer Institut IVV in Freising bei München, auch mit konturgetreuen Mustern auf flexiblen Polymersubstraten. Gemeinsam mit TNO arbeitet Fraunhofer im Verbund an hoch leistungsfähigen ‚1000-km-Akkus' als Weiterentwicklung der Li-Ionen Technologie mit Nano-Beschichtungen für die Elektromobilität.

Die meisten prospektiven Ziel-Applikationen der 2D-Materialien, so Collins, dürften sich auf Volumenmärkte richten. Das schließt spezifische Risiken für die Anbieter ein, ob und wie sich der Bedarf in diesen Anwendungen entwickeln wird. Entsprechend ungewiss ist der abzusehende Return on Investment. Das bremst den Ausbau der Kapazitäten und führt zu dem derzeit vorherrschenden Eindruck, es würden nicht genügend Mittel in die neue Technologie investiert. Auch hier zeigt sich, so Collins, der wachsende Umfang und Einfluss chinesischer Aktivitäten als ‚signifikantes Territorium der Produktionskapazität', mit Schwergewicht auf der Exfoliation des Graphen aus der Flüssigphase als vorherrschendes Fertigungsverfahren.

Ein weiterer Aspekt der Entwicklung der Graphen-Erzeugung ist die Kostengünstigkeit der Graphenpulver und Nanoplatelets als Substitute für Ruß, Graphit und andere Additive. Graphen konkurriert mit diesen sowohl im Preispunkt, als auch im Hinblick auf die Performance. Sie hatte anfangs, urteilt IDTechEx-Analyst Collins, gravierende Nachteile durch ihre um Größenordnungen höheren Preis. Das, so Collins, hat sich inzwischen geändert. Die Preise für Platelets sind stark gesunken, so dass einige Anbieter bereits die Gefahr der (vorschnellen und zu billigen) Kommodifizierung sehen. Längerfristig erkennt man bei IDTechEx über die nächsten zehn Jahre die industrie-übliche Konsolidierung im Feld der Anbieter.

Andererseits konstatiert man auch die seit 2013 langsam aber stetig wachsenden Umsätze der meisten existierenden Anbieter. Dies könnte sich fortsetzen bis zu einem gewissen Wendepunkt im Markt und dem Einstieg in eine steile Expansionsphase. Diese könnte bereits 2022 einsetzen. Die Gewinnsituation, urteilt Collins, steht allerdings auf einem anderen Blatt: Die Industrie als Ganzes operiert, mit gewissen Ausnahmen, immer noch auf der Verlustseite. Das ist typisch für die subventionsbedürftige Kommerzialisierung neuer Materialien, die sich meist über Jahre oder Jahrzehnte erstreckt.

Als wesentliche Markttreiber erkennt der IDTechEx-Report End-User-Anwendungen der 2D-Materialien zur Verbesserung der mechanischen Widerstandsfähigkeit, sowie der höheren elektrischen und thermischen Leitfähigkeit von Komponenten, der besseren elektromagnetischen (EMI-) Schirmung, als Substitute für Polymere, zur Energiespeicherung mit Lithium-Schwefel-Batterien (Fraunhofer IWS), Siliziumanoden für Akkus, Superkondensatoren, transparente leitfähige (Antikorrosions-) Beschichtungen, Metallmatrix-Verbundwerkstoffe, E-Textilien, generell: nachhaltigere und leichtere Consumer-Produkte.

Die anfangs favorisierten prospektiven Anwendungen als innovative Transistor-Substitute haben inzwischen wegen der fehlenden (künstlich erzeugten) Bandlücke des Graphen-Materials und der recht komplexen Fertigung derartiger Komponenten an Attraktivität verloren, resümiert Collins. Aussichtsreicher erscheint die Entwicklung von Graphen-basierten Sensoren und optoelektronischen Bauelementen und Systemen.

Noch kaum richtig untersucht und erforscht sind zahllose weitere emergente 2D-Materialien mit je eigenen exotischen Eigenschaften im Gefolge der Entdeckung des Graphen vor nunmehr 17 Jahren. Der genannte Report widmet sich auch diesen potenziellen Materialien als Game Changer der industriellen Elektronik und deren Fertigungsverfahren. Besondere Aufmerksamkeit gilt dem Bornitrid und den Übergangsmetall-Dichalcogeniden, neben weiteren Nanocarbon-Strukturen wie den Kohlenstoff-Nanoröhren. Hier bietet der Report die gängigen quantitativen Analysen und Übersichten der Anbieter, der langfristigen Technologie-Entwicklungen, Bewertungen einzelner Unternehmen und ihrer Position im Markt, Benchmarks, die Patentsituation, Preistrends, und schließlich einen aufschlussreichen Blick auf China und die dortigen neu entstandenen und rasch wachsenden Anbieter (mit dem neuesten ‚Super-Akku' des Autobauers GAC).

Nicht zu vernachlässigen in der Entwicklung einer derart bedeutsamen und fundamental neuen Technologie, die sich auf zahllose Anwendungen und Industriebereiche auswirkt, ist die öffentliche Förderung, sei es zur Beschleunigung der Entwicklung oder als gezielte Standort-Stärkung. Hier profiliert sich auf europäischer Seite die EU mit ihrer 2019 im Rahmen von FET (Future and Emerging Technologies) aufgelegten Graphene Flagship Forschungsinitiative, die mit elf ‚Speerspitzenprojekten' in Partnerschaft mit der Industrie die Kommerzialisierung von Graphen vorantreiben soll. Insgesamt stellt die EU für die Graphen-Entwicklung mit als 100 akademischen Forschungsteams und interessierten europäischen Unternehmen über einen Zeitraum von zehn Jahren die stattliche Summe von 1 Mrd. € bereit. Ausdruck dieser breiten Kooperation ist die in diesem Jahr vom 20. bis 24. September als virtuelles Event stattfindende Graphene Week 2021. An dieser interaktiven Plattform werden sich mehr als 200 Forscher und Entwickler beteiligen.