Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-981191
Niemann, Leonhard Mathias
Tegenkamp, Christoph (Prof. Dr.) ; Schuster, Jörg (Dr.) (Gutachter)
Graphene oxide derived graphite networks with high electrical conductivity
Kurzfassung in deutsch
Eine hohe elektrische Leitfähigkeit für Graphitfilme aus Graphenoxid zu erreichen ist nach wie vor eine Herausforderung. Bei dieser Art von Graphitfilmen handelt es sich um makroskopische Schichtmaterialien, deren Bausteine einzelne Graphenoxidflocken sind. Nach einem Reduktionsprozess bilden sie ein Leiterbahnnetzwerk, das sich deutlich von dem in kristallinem Graphit unterscheidet. Um das volle Potenzial dieser Graphitfilme zu nutzen, muss daher der Einfluss voneinander abhängiger Prozessparameter bestimmt werden. Aus früheren netzwerkbasierten Simulationsstudien ist bekannt, dass große Flocken und eine hohe Dichte vorteilhaft sind. Die entscheidenden Herstellungsparameter sind noch ungeklärt. Sie müssen identifiziert und deren zu Grunde liegende Physik geklärt werden, um klare Herstellungsvorschriften ableiten zu können. In dieser Arbeit werden experimentelle Studien für drei verschiedene Herstellungsstrategien vorgestellt. Die Kristallstruktur der hergestellten Graphitschichten wurde dabei mit Röntgenbeugung, Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie und Ramanspektroskopie charakterisiert. Die elektronischen Transporteigenschaften wurden auf mikroskopischer Ebene durch Vierpunkt-Rastertunnelmikroskopie und auf makroskopischer Ebene durch Wirbelstrommessungen charakterisiert. Zunächst wurde der Einfluss der Übergangsmetallsalze CuCl2 und NiCl2 untersucht. Die Proben wurden zwischen 1600 °C to 2850 °C getempert und die Konzentration der Salze variiert. Bei einer Konzentration von 8,8 mmol/mL NiCl2 in einer 0,5 gew.% Graphenoxiddispersion wurde nach der Behandlung bei 2850 °C ein Optimum für die Leitfähigkeit gemessen. Die elektrische Leitfähigkeit war im Vergleich zu einer Referenz ohne Additive um 30% höher. Das Leiterbahnnetzwerk wurde durch das Auflösen und Ausfällen von Kohlenstoff aus Nickel verbessert. Daraufhin wurden karbidbildende Übergangsmetalle verwendet. MoS2 und WS2 wurden während des Temperns in-situ in die entsprechenden Karbide umgewandelt. Die Konzentration wurde in Abhängigkeit vom Graphenoxidgehalt systematisch variiert. Dabei ergab eine Konzentration von 2 μmol/mg MoS2 die höchste Leitfähigkeit, die fast dreimal so hoch war wie die der Referenzprobe. Die Kristallstruktur und das Leiterbahnnetzwerk wurden durch einen eutektischen Karbidbildungs- und Zersetzungsmechanismus deutlich verbessert. Anschließend wurde die Vakuumfiltration mit der Rakelbeschichtung verglichen. Voneinander abhängige Prozessparameter wie der Abstand zwischen Rakel und Substrat, die Viskosität und die Scherspannung wurden untersucht. Dabei ergab sich, dass der Abstand zwischen Rakel und Substrat der wichtigste Faktor für eine hohe elektrische Leitfähigkeit ist. Je kleiner der Abstand gewählt wurde, desto höher wurde die potenzielle elektrische Leitfähigkeit. Graphenoxidflocken und Agglomerate wurden dazu gebracht, sich flach und möglichst dicht anzuordnen. Dies führte zu dichteren Graphitfilmen, welche im Vergleich zur Vakuumfiltration um bis zu 236% höher elektrisch leitfähig waren. Darüber hinaus konnte eine Vorbehandlung unter erhöhtem Druck und Temperatur die Leitfähigkeit nochmals um weitere 84% bis 116% steigern, indem die Bildung von Gaseinschlüssen verhindert wurde. Die optimierte Ausrichtung der Flocken führt zu verbesserten Wechselwirkungen zwischen den Flocken und damit zu einem verbesserten Leiterbahnnetzwerk. Diese Arbeit zeigt, dass die Kontrolle über die Orientierung der einzelnen Flocken für die Herstellung hochleitfähiger Graphitfilme auf der Basis von Graphenoxid unerlässlich ist.
Kurzfassung in englisch
Reaching a high electrical conductivity for graphene oxide derived graphite films remains challenging. They are a class of macroscopic layered materials composed of single graphene oxide flakes. After a reduction process, they form a conductor path network which differs significantly from crystalline graphite. Understanding influence of the interdependent process parameters is crucial to utilize the full potential of these graphite films. It is known from previous network-based simulation studies that large single flake sizes and high density of the graphite film are beneficial. However, crucial fabrication parameters and their underlying physics need to be identified. This allows to derive clear fabrication strategies. This thesis presents experimental studies for three different fabrication strategies. The crystal structure of the obtained graphite films was characterized with X-ray diffraction, X-ray photoelectron spectroscopy, scanning electron microscopy with energy dispersive X-ray spectroscopy, and Raman spectroscopy. The electronic transport properties were characterized on microscopic scales with four-point probe scanning tunneling microscopy and on the macroscopic scale with eddy current measurements. First, the influence of non-carbide-forming transition metal salts, CuCl2 and NiCl2, was evaluated. The annealing temperature was varied between 1600 °C to 2850 °C and different concentrations were used. The optimal parameters were found to be 8.8 mmol/mL NiCl2 in a 0.5 wt.% graphene oxide dispersion and an annealing at 2850 °C. The electrical conductivity increased by 30% compared to a reference without additives. The conductor path network was improved due to the dissolution and precipitation of carbon in nickel. Second, carbide-forming transition metals were introduced. MoS2 and WS2 were converted in-situ to the respective carbides during the annealing process. Their concentration was systematically varied with respect to the graphene oxide content. Here, a concentration of 2 μmol/mg MoS2 yielded the highest conductivity, almost three times higher than the reference graphite film. The crystal structure and conductor path network were significantly improved by a eutectic carbide formation and decomposition mechanism. Third, vacuum filtration was compared to blade-coating. Here, interdependent process parameter like blade-to-substrate gap, viscosity, and shear stress were evaluated. The blade-to-substrate gap was found to be most significant for high electrical conductivity. The smaller the gap, the higher was the potential electrical conductivity. Graphene oxide flakes and agglomerates were forced to align flat in a dense packaging. This translated to dense graphite films. Blade-coating generally yielded an electrical conductivity up to 236% higher than vacuum filtration. Furthermore, the introduction of a hot-press pre-treatment increased the conductivity again between 84% to 116% by preventing gasbag formation. The good alignment of the flakes led to improved flake interactions and subsequently improved conductor path network. This work reveals that controlling the orientation of the individual flakes is essential for the production of highly conductive graphite films based on graphene oxide.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Analytik an Festkörperoberflächen | |
| Fakultät: | TU Chemnitz | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Tegenkamp, Christoph (Prof. Dr.) | |
| DOI: | doi:10.60687/2025-0148 | |
| SWD-Schlagwörter: | Strukturoptimierung , Elektrische Leitfähigkeit , Grafit , Graphenoxid | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Graphit , Graphen , Graphenoxid , Übergangsmetallchloride , Übergangsmetallkarbide , elektrische Leitfähigkeit , Strukturoptimierung , Leiterbahnnetzwerk , Herstellungstechniken | |
| Freie Schlagwörter (Englisch): | Graphite , Graphene , Graphene oxide , Transition metal chlorides , Transition metal carbides , Electrical conductivity , Structural optimization , Conductor path network , Fabrication techniques | |
| DDC-Sachgruppe: | Physik, Elektrizität, Elektronik, Chemie, Angewandte Physik | |
| Sprache: | englisch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 03.07.2025 |
