Chemical vapour deposition, in-situ studies and ice nucleation behaviour of graphene on iron/steels and copper

Abstract

Ultradünne zweidimensionale (2D) Materialien wie Graphen wurden als außergewöhnlich dünne Korrosionsbarrieren und funktionelle Beschichtungen für moderne metallurgische Legierungen vorgeschlagen. Die industrielle Anwendung solcher atomar dünnen Beschichtungen hängt von ihrer direkten Synthese auf dem Zielsubstrat und ihrer hohen Qualität und Bedeckung ab. Bislang ist es jedoch noch nicht gelungen, einlagiges Graphen in großem Maßstab auf komplexen Multielement-Substraten wie Stählen zu synthetisieren. Darüber hinaus ist selbst auf reinem Eisen die direkte Synthese von einlagigem Graphen in großem Maßstab nach wie vor schwer zu erreichen.In dieser Arbeit werden die Herausforderungen der chemischen Gasphasenabscheidung (CVD) solcher 2D-Materialien, insbesondere von Graphen, auf modernen metallurgischen Legierungen erörtert, wobei der Schwerpunkt auf Problemen der Oberflächenoxidation unter skalierbaren Synthesebedingungen und dem komplexen Zusammenspiel von Kohlenstoff und Metallsubstrat liegt. Im praktischen Teil dieser Arbeit wurde die CVD-Synthese von qualitativ hochwertigem Monolayer-Graphen auf Eisen unter skalierbaren Bedingungen erreicht. Darüber hinaus wurde das Wachstum von Graphenschichten auf einer Vielzahl von Stahlsubstraten deutlich verbessert. In-situ-Materialcharakterisierungsmethoden wie In-situ-Röntgenphotoelektronenspektroskopie bei Umgebungsdruck (NAP-XPS) und In-situ-Röntgendiffraktometrie (XRD) wurden eingesetzt, um das Verhalten der Substratoberfläche und des Volumens während des CVD-Graphenwachstums zu beleuchten und ideale Synthesebedingungen zu ermitteln. Zusätzliche Charakterisierungen zeigten die gleichzeitige Oberflächenhärtung des Eisensubstrats während des CVD-Graphenwachstums, was die Möglichkeit aufzeigt, die Graphen-Synthese in industrielle Härtungsprozesse einzubinden.Des Weitern wurde die Rolle von Graphen als dünne funktionelle Beschichtung im Hinblick auf Eisnukleation von Wasser auf einlagigen Graphen/Kupfer-Oberflächen untersucht, wobei das neuartige Phänomen der „Gefriertransparenz“ festgestellt wurde. Darüber hinaus wurde gezeigt, dass verschiedene Graphen-Funktionalisierungsansätze das Gefrierverhalten von Wasser beeinflussen, die Gefriertemperaturen verschieben und die Gefriertransparenz aufheben.

Ultra-thin two-dimensional (2D) materials such as graphene have been proposed as exceptionally thin corrosion barriers and functional coatings for contemporary metallurgical alloys. The industrial application of such atomically thin coatings hinges on their direct synthesis on the target substrate and high quality and coverage. However, despite significant research efforts, large-scale monolayer graphene synthesis on complex multi-element substrates, such as steels, has not yet been achieved. Furthermore, even on pure iron direct synthesis of large-scale monolayer graphene remains elusive.This work addresses the challenges of chemical vapour deposition (CVD) of such 2D materials, particularly graphene, on modern metallurgical alloys. It focuses on the problems of surface oxidation under scalable synthesis conditions and the complex interplay of carbon with the metal substrate. Within the practical part of this work, the CVD synthesis of large-scale high-quality monolayer graphene on iron was achieved. Furthermore, the growth of graphene coatings on a variety of steel substrates was significantly improved. In-situ material characterization methods, such as in-situ near ambient pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS) and in-situ X-ray diffraction (XRD), were employed to advance the understanding of substrate surface and bulk behaviour during CVD graphene growth and inform ideal synthesis conditions. Additional characterization, including nano-indentation, revealed that the iron substrateundergoes concurrent surface hardening during CVD graphene growth, demonstrating the ability to incorporate graphene synthesis into industrial carburization hardening processes.Furthermore, graphene’s role as an ultimately thin functional coating was investigated with respect to water ice nucleation on monolayer graphene/copper surfaces, revealing a novel, fundamentally interesting phenomenon termed "freezing transparency". Additionally, different graphene functionalization approaches were shown to influence water freezing behaviour, shift freezing temperatures and remove this so-called "freezing transparency".