عيوب الجرافين المُهندسة تفتح آفاقًا تكنولوجية جديدة

كيف تُحسّن العيوب الهندسية أداء الجرافين

المواد ثنائية الأبعاد، التي تشكل طبقة واحدة من الذرات، والتي يعتبر الجرافين الأكثر فهمًا ودراسةً على نطاق واسع، جنبا إلى جنب البوروفين, جولديني، وغيرها، تظهر خصائص ملحوظة تختلف بشدة عن الذرات نفسها في البنية الذرية ثلاثية الأبعاد العادية.

ويرجع ذلك إلى حد كبير إلى إلكترونات π غير الموضعية في الجرافين، والتي يمكنها التحرك بحرية عبر شبكتها ثنائية الأبعاد، مما يمنحها خصائص حرارية وكهربائية وميكانيكية استثنائية.

ولكن الأداء الأفضل غالبًا ما يُلاحظ عندما لا تكون هذه المواد متجانسة تمامًا، بل تحتوي على شوائب إضافية تخلق تأثيرات كمية وكيميائية فريدة أخرى.

تستكشف دراستنا طريقة جديدة لإنتاج الجرافين. هذه المادة فائقة الرقة والقوة مصنوعة من ذرات الكربون، ورغم أن الجرافين المثالي يُعدّ رائعًا، إلا أنه أحيانًا يكون مثاليًا أكثر من اللازم.

"إنه يتفاعل بشكل ضعيف مع المواد الأخرى ويفتقر إلى الخصائص الإلكترونية الأساسية المطلوبة في صناعة أشباه الموصلات."

ديفيد دنكان - أستاذ مشارك من جامعة نوتنغهام

وقد وجد باحثون في جامعات مختلفة في المملكة المتحدة وألمانيا والسويد (تعاون بين أكثر من 12 جامعة مختلفة) طريقة لإدخال مثل هذا "العيب" في الجرافين في إجراء من خطوة واحدة، مما يفتح الطريق أمام تحسين مواد الجرافين بشكل جذري.

ونشروا نتائجهم في المجلة العلمية Chemical Science¹، تحت عنوان "تخليق الجرافين المحتوي على عيوب طوبولوجية في خطوة واحدة".

حدود الجرافين

على الرغم من الترويج للجرافين باعتباره مادة معجزة منذ اكتشافه في عام 2004، إلا أن استخدامه في العالم الحقيقي ظل بطيئًا لأكثر من عقدين من الزمن.

ويرجع ذلك إلى أن الجرافين نادرًا ما يتفاعل مع المواد الأخرى بالطريقة التي يرغبها الباحثون والمصنعون.

يتكون الجرافين عادة من نمط متكرر من ست ذرات كربون مرتبة في حلقة مسطحة.

المصدر مجلة تكنولوجيا النانو

يمكن للجزيئات الأخرى المدرجة في هذا الهيكل أن تجعله يتفاعل بشكل أفضل مع مواد أخرى، ولكنها غالبًا ما تؤدي إلى تدهور الخصائص التي تجعل الجرافين مثيرًا للاهتمام في المقام الأول.

كما أن هذه الأساليب تخضع أيضًا لسيطرة سيئة، مما يؤدي إلى نتائج غير متسقة ونتيجة نهائية غير متجانسة.

لذا فإن الحيلة تكمن في إيجاد طريقة لتحسين تفاعلات الجرافين مع الحفاظ على خصائصه.

العثور على العيب الصحيح

وباستخدام الحساب، حدد الباحثون أن العيب المستهدف في هذا البحث يجب أن يكون حلقات مجاورة مكونة من 5 و7 ذرات، والمعروفة في الفيزياء باسم عيب ستون ويلز.

وُجد أن الأزوبيرين، وهو جزيء عضوي ذو شكل فريد، يُطابق تمامًا تقريبًا المتطلبات اللازمة لتحسين الجرافين. ولأن الأزوبيرين يحتوي بشكل طبيعي على هذه الهندسة ذات الحلقات الخمس والسبع، فإنه يعمل كقالب أثناء النمو بدلًا من التلف العشوائي.

المصدر علوم كيميائية

تم تنمية الجرافين + الأزوبيرين على ركيزة من النحاس، باستخدام طريقة تسمى الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، والتي تستخدم عادة لإنشاء الجرافين وأشباه الموصلات.

تم إجراء النمو في بيئة خالية من الأكسجين مع فراغ فائق الارتفاع (UHV)، مع ما يصل إلى 10^-10 مليبار من الضغط.

تقييم أداء الجرافين المعدل

تم تقييم نظافة البلورة عن طريق مطيافية الأشعة السينية الضوئية الإلكترونية (XPS)، والحيود الإلكتروني منخفض الطاقة (LEED)، والمجهر المسح النفقي (STM).

المصدر علوم كيميائية

يبدو أنه عند درجات حرارة الركيزة المرتفعة للغاية، والتي تصل إلى 1000 كلفن (726 درجة مئوية / 1340 درجة فهرنهايت)، يشكل الأزوبيرين الجرافين المثالي الذي يوضح البنية الفوقية المواريه.

تظهر الملاحظة المجهرية عيوبًا حلقية مكونة من 5/7 أعضاء مدمجة في شبكة من الحلقات المكونة من 6 أعضاء (الجرافين).

المصدر علوم كيميائية

عند التركيز العالي ومع تعديل درجة الحرارة، توجد الحلقات المكونة من 5 و7 أعضاء في الجزر، كما هو موضح باستخدام المجهر الذري للقوة غير التلامسية (nc-AFM).

لذا، لا يمكن لهذه الطريقة إنتاج نتائج متسقة فحسب، بل يمكن أيضًا ضبط التركيز الدقيق للأزوبيرين المدمج في الجرافين باستخدام درجات حرارة مختلفة أثناء عملية الترسيب الكيميائي للبخار.

المصدر علوم كيميائية

الاستخدامات

مرر للتمرير →

وهذه هي إحدى المرات الأولى التي يتم فيها تقديم "عيوب" الجرافين ليس فقط من خلال النوع المثالي من الجزيئات لها، ولكن أيضًا بطريقة يمكن التحكم فيها تمامًا.

باختيارنا الدقيق للجزيء الأولي وظروف النمو، أثبتنا إمكانية إنتاج الجرافين الذي يُمكّن من إدخال العيوب فيه بطريقة أكثر تحكمًا. نُميّز بصمات هذه العيوب من خلال الجمع بين التصوير على المستوى الذري، والتحليل الطيفي، والمحاكاة الحاسوبية.

البروفيسور راينهارد مورير - جامعة وارويك

يمكن ربط هذا الجرافين المعدل بمواد أخرى بسهولة أكبر بكثير، مما يفتح مجالًا جديدًا تمامًا لتطبيق هذا النوع الجديد من الجرافين.

لقد وجدنا أن هذه العيوب يمكن أن تجعل الجرافين أكثر "التصاقًا" بالمواد الأخرى، مما يجعله أكثر فائدة كمحفز، فضلاً عن تحسين قدرته على اكتشاف الغازات المختلفة لاستخدامها في أجهزة الاستشعار.

ويمكن أن تؤدي هذه العيوب أيضًا إلى تغيير الخصائص الإلكترونية والمغناطيسية للجرافين، مما قد يفتح الباب لتطبيقات محتملة في صناعة أشباه الموصلات.

ديفيد دنكان - أستاذ مشارك من جامعة نوتنغهام

لقد ذكرنا سابقًا كيف يتم استخدام الجرافين بشكل متزايد في سبنترونيكس, خلايا وقود الهيدروجين, هوائيات 6G THzو الإدارة الحرارية للبطارية، من بين العديد من الأمثلة الأخرى.

تقنية الترسيب الكيميائي البخاري ودور شركة Veeco في المواد المتقدمة

شركة Veeco Instruments Inc.

لقد كانت Veeco موردًا رئيسيًا للمعدات لصناعة أشباه الموصلات منذ تأسيسها في عام 1945. وتُستخدم أجهزتها في إنتاج شرائح EUV المتقدمة، وهوائيات 5G، ومحركات الأقراص الصلبة، وLIDAR، ومصابيح LED، وإلكترونيات الطاقة للمركبات الكهربائية، وما إلى ذلك.

المصدر فيكو

تركز الشركة بشكل رئيسي على عملية الترسيب الكيميائي للبخار المستخدمة في إنتاج البوروفين، أو بشكل أكثر دقة، MOCVD (الترسيب الكيميائي للبخار المعدني العضوي).

في الشهر الماضي فقط (5 نوفمبر 2025)، قامت شركة Veeco أعلن طلبٌ كبيرٌ لنظام Propel®300 MOCVD من شركةٍ رائدةٍ في تصنيع أشباه موصلات الطاقة. يُبرهن هذا الطلب، المُخصّص لتقنية ترسيب نتريد الغاليوم (GaN)، على الطلب التجاري المتزايد على معدات ترسيب دقيقة تُشبه تلك المطلوبة لإنتاج الجرافين على نطاقٍ واسع.

وتتمتع الشركة بتنوع جغرافي، حيث تمثل الصين 28% فقط من إجمالي الإيرادات، على الرغم من أن بقية منطقة آسيا والمحيط الهادئ تمثل نصف إجمالي الإيرادات، مما يعكس أهمية المنطقة في تصنيع المكونات الإلكترونية.

لقد تم استخدام هذه التقنية بشكل متزايد في عمليات التصنيع، بدءًا من محركات الأقراص الصلبة في التسعينيات إلى مصابيح LED وأشباه الموصلات المتقدمة اليوم.

المصدر فيكو

بصفتها شركة رائدة في هذا القطاع المتخصص من صناعة أشباه الموصلات، قد تكون شركة Veeco مرشحة قوية للمراهنة على تزايد استخدامات تقنية الترسيب الكيميائي البخاري (CVD). وبصفتها شركة مصنعة للمعدات، لا تعتمد Veeco على السوق المتخصصة أو التقنية المستخدمة، طالما أنها تستخدم تقنية الترسيب الكيميائي البخاري (CVD) بطريقة ما في إحدى مراحل تصنيعها.

وقد دفع هذا الشركة إلى توقع نمو سريع لإجمالي سوقها المستهدف، مدفوعًا إلى حد كبير بتقنيات التلدين بالليزر المتقدم وترسيب حزمة الأيونات.

المصدر: فيكو

وقد يكون هذا النمو نابعًا أيضًا من الاستخدام المتزايد للجرافين والتنجستن والبوروفين، مع تحسن قدرتنا تدريجيًا على التعامل مع المادة على المستوى الذري والاستفادة من المواد ثنائية الأبعاد لتطبيقات جديدة.

ومن المرجح أيضًا أن تستفيد من الاتجاهات الهائلة للرقمنة والذكاء الاصطناعي والكهرباء، سواء كانت تستخدم المواد ثنائية الأبعاد على نطاق واسع قريبًا أم لا.

أحدث أخبار وتطورات أسهم شركة Veeco Instruments (VECO)

الدراسة المرجعية

^{1. كلاين، بي بي، ستودلي، إم إيه، ديرلينج، جيه، وآخرون. (2025). تخليق الجرافين المحتوي على عيوب طوبولوجية في خطوة واحدة. العلوم الكيميائية، 16، 19403-19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b}