Ingeniørmæssige grafenedefekter åbner nye teknologiske muligheder

Hvordan ingenierede defekter forbedrer grafenens ydeevne

2D-materialer, der udgør et enkelt atomlag, hvoraf grafen er det mest forståede og mest studerede, alongside borophene, goldene, and others, display remarkable properties that are strongly different from the same atoms in a normal 3D atomic structure.

I høj grad skyldes dette grafenens delokaliserede π-elektroner, som kan bevæge sig frit over dets 2D‑gitter og giver det exceptionelle termiske, elektriske og mekaniske egenskaber.

Men den bedste ydeevne observeres ofte, når disse materialer ikke er fuldstændig homogene, men indeholder ekstra urenheder, der skaber yderligere unikke kvante‑ og kemiske effekter.

“Vores undersøgelse udforsker en ny måde at fremstille grafen på. Dette supertynde, superstærke materiale er lavet af carbonatomer, og selvom perfekt grafen er bemærkelsesværdig, er den nogle gange for perfekt.

Det interagerer svagt med andre materialer og mangler afgørende elektroniske egenskaber, der kræves i halvlederindustrien.”

David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham

Forskere ved forskellige universiteter i Storbritannien, Tyskland og Sverige (et samarbejde mellem mere end 12 universiteter) har fundet en måde at indføre en sådan “defekt” i grafen i en 1‑trins procedure, hvilket åbner vejen til radikalt forbedrede grafenmaterialer.

De offentliggjorde deres resultater i det videnskabelige tidsskrift Chemical Science¹, under titlen “One-step synthesis of graphene containing topological defects”.

Begrænsningerne ved grafen

Hyldet som et mirakelmateriale siden opdagelsen i 2004, har grafen haft langsom real‑world adoption mere end to årtier senere.

Dette skyldes, at grafen sjældent interagerer med andre materialer på den måde, forskere og producenter ønsker.

Grafen er normalt bygget op af et gentaget mønster af seks carbonatomer arrangeret i en flad ring.

Kilde: Journal Of Nanotechnology

Andre molekyler, der indsættes i denne struktur, kan få den til at interagere bedre med andre materialer, men de forringer ofte de egenskaber, der gør grafen interessant i første omgang.

Disse metoder er også dårligt kontrollerede, hvilket resulterer i inkonsekvente resultater og et ikke‑homogent slutprodukt.

Så tricket er at finde ud af, hvordan man forbedrer grafenens interaktioner, mens man bevarer dens egenskaber.

Find den rette defekt

Ved hjælp af beregninger fastslog forskerne, at den defekt, der fokuseres på i denne forskning, bør være naboskabte 5‑ og 7‑atom‑ringe, kendt i fysikken som en Stone‑Wales‑defekt.

Azupyrene, et organisk molekyle med en unik form, viste sig at næsten perfekt matche, hvad der var nødvendigt for at forbedre grafen. Da azupyrene naturligt indeholder denne 5‑ og 7‑ring‑geometri, fungerer det som en “skabelon” under væksten i stedet for tilfældig skade.

Kilde: Chemical Science

Grafen + azupyrene blev dyrket på et kobbersubstrat ved hjælp af en metode kaldet chemical vapour deposition (CVD), som almindeligvis bruges til at fremstille grafen og halvledere.

Dyrkningen foregik i et iltfrit miljø med ultrahøj vakuum (UHV), med et tryk så lavt som 10⁻¹⁰ mbar.

Vurdering af modificeret grafenydelse

Krystallens renhed blev vurderet ved X‑ray photoelectron spectroscopy (XPS), low‑energy electron diffraction (LEED) og scanning tunnelling microscopy (STM).

Kilde: Chemical Science

Det viste sig, at ved meget høje substrattemperaturer, op til 1000 K (726 °C / 1340 °F), danner azupyrene ideel grafen, der viser moiré‑superstrukturer.

Den mikroskopiske observation viser 5‑/7‑leddet ringdefekter indlejret i et gitter af 6‑leddet ringe (grafen).

Kilde: Chemical Science

Ved høj koncentration og temperaturjustering er 5‑ og 7‑leddet ringe til stede i øer, som demonstreret med non‑contact atomic force microscopy (nc‑AFM).

Så ikke kun kan denne metode producere konsistente resultater, men den præcise koncentration af azupyrene integreret i grafen kan finjusteres ved at variere temperaturerne under CVD‑processen.

Kilde: Chemical Science

Anvendelser

Swipe for at rulle →

Dette er en af de første gange, hvor grafen‑“defekter” introduceres ikke kun med den perfekte type molekyle, men også på en fuldstændig kontrolleret måde.

“Ved omhyggeligt at vælge udgangsmolekylet og vækstbetingelserne har vi vist, at det er muligt at dyrke grafen, hvor ufuldkommenheder kan indføres på en mere kontrolleret måde. Vi karakteriserer signaturerne af disse ufuldkommenheder ved at kombinere atomskala‑afbildning, spektroskopi og beregningssimulation.”

Professor Reinhard Maurer – University of Warwick

Dette modificerede grafen kan bindes til andre materialer meget lettere, hvilket åbner et helt nyt anvendelsesområde for denne nye type grafen.

Vi har fundet ud af, at defekterne kan gøre grafen mere “klæbrig” til andre materialer, hvilket gør den mere nyttig som katalysator samt forbedrer dens evne til at opdage forskellige gasser til sensorer.

Defekterne kan også ændre grafenens elektroniske og magnetiske egenskaber, med potentielle anvendelser i halvlederindustrien.

David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham

Vi har tidligere rapporteret, hvordan grafen i stigende grad anvendes til spintronik, brintbrændselsceller, 6G THz‑antenner og batteriers termiske styring, blandt mange andre eksempler.

CVD‑teknologi og Veecos rolle i avancerede materialer

Veeco Instruments Inc.

Veeco har været en stor leverandør af udstyr til halvlederproduktionsindustrien siden grundlæggelsen i 1945. Dets maskiner bruges til fremstilling af avanceret EUV‑chipproduktion, 5G‑antenner, harddiske, LIDAR, LED‑lys, strøm‑elektronik til el‑biler osv.

Kilde: Veeco

Virksomhedens primære teknologiske fokus er den samme CVD‑proces, der anvendes til produktion af borophene, eller mere præcist, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Kun sidste måned (5. november 2025) annoncerede Veeco en stor ordre på deres Propel®300 MOCVD‑system fra en førende producent af kraft‑halvledere. Denne ordre, specifikt til Gallium Nitride (GaN)‑epitaksi, bekræfter den stigende kommercielle efterspørgsel efter præcist aflejring‑udstyr, som også vil være nødvendigt for skaleret grafenproduktion.

Virksomheden er geografisk diversificeret, hvor Kina udgør kun 28 % af de samlede indtægter, mens resten af Asien‑Stillehavsområdet står for halvdelen af de samlede indtægter, hvilket afspejler regionens betydning for fremstilling af elektroniske komponenter.

Denne teknologi er gradvist blevet anvendt i flere og flere fremstillingsprocesser, fra harddiske i 1990’erne til LED‑lys og avancerede halvledere i dag.

Kilde: Veeco

Som leder i dette niche‑segment af halvlederindustrien kunne Veeco være en god kandidat til at satse på stigningen i CVD‑applikationer. Og som udstyrsproducent er Veeco ikke afhængig af, hvilket niche‑marked eller hvilken teknologi der anvendes, så længe CVD indgår i mindst ét trin af processen.

Dette har ført til, at virksomheden forudser en hurtig vækst i deres samlede adresserbare marked, drevet i høj grad af avanceret laser‑annealing og ion‑beam‑depositions‑teknikker.

Kilde: Veeco

En sådan vækst kan også stamme fra den stigende brug af grafen, tungsten og borophene, efterhånden som vi bliver bedre til at manipulere stof på atomart niveau og udnytte 2D‑materialer til nye anvendelser.

Det vil sandsynligvis også drage fordel af de massive tendenser inden for digitalisering, AI og elektrificering, uanset om 2D‑materialer snart anvendes i stor skala eller ej.

Seneste nyheder og udviklinger om Veeco Instruments (VECO) aktien

Studie refereret

^{1. Klein, B. P., Stoodley, M. A., Deyerling, J., et al. (2025). Én‑trins syntese af grafen indeholdende topologiske defekter. Chemical Science, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b}