Borophene. Wie Graphen, aber besser.

Graphen aus Bor

Materialwissenschaften machen ständig neue Entdeckungen, darunter 2D‑Materialien. Sie sind Materialien, die in einer dünnen Schicht von nur einem Atom angeordnet sind, daher der Name. Das erste war einlagiges Graphen, das erst 2004 mit Sicherheit hergestellt wurde, obwohl die Idee und Theorie dazu viel älter sind und die Entdecker damit den Nobelpreis für Physik 2010 gewannen.

Borophene, ein weiteres 2D‑Material, ist noch neuer und wurde erst 2015 entdeckt. Es besteht aus Bor‑Atomen anstelle der in Graphen verwendeten Kohlenstoffatome. Es ist noch leitfähiger, dünner, leichter, stärker und flexibler als Graphen, obwohl Graphen oft als Wunderstoff beschrieben wird.

Quelle: Nature

Da es so neu ist, wissen wir noch wenig über die tatsächlichen Eigenschaften und das volle Potenzial von Borophene. Es ist ein Material, das noch komplexer ist als Graphen, mit vielen möglichen molekularen Konfigurationen, die seine 2D‑Eigenschaften beibehalten. Die molekularen Strukturen von Borophene können Platz für andere Atomarten bieten, wodurch die potenziellen Konfigurationen noch zahlreicher werden.

Quelle: Frontiers of Physics

Und das Potenzial von Borophene wächst weiter, da Forscher der Penn State entdeckt haben, wie man Borophene verbessert, und zudem untersucht haben, wie es mit lebenden Zellen interagiert.

Neues chirales Borophene

In einer wissenschaftlichen Veröffentlichung mit dem Titel „Chirale Induktion in 2D‑Borophene‑Nanoplatelets durch stereoselektive Bor‑Schwefel‑Konjugation“ konzentrierten sich die Forscher der Penn State auf ein einzigartiges Merkmal von Borophene unter den 2D‑Materialien, seine mögliche „Chiralität“. Chiralität ist ein chemischer Begriff, der bedeutet, dass Moleküle eine Links‑/Rechts‑Symmetrie besitzen. Chiralität ist ein wichtiges Merkmal organischer Moleküle, zum Beispiel der Aminosäuren, die die Bausteine von Proteinen sind.

Quelle: UC Santa Barbara

Durch die Interaktion mit chiralen Aminosäuren wie Cystein während des Produktionsprozesses gelang es den Forschern, Borophene Chiralität zu verleihen – ein weltweit erstes Mal für 2D‑Materialien.

In Molekülen kann Chiralität biologische oder chemische Einheiten in zwei Versionen existieren lassen, die nicht perfekt zueinander passen, wie bei einer linken und einer rechten Handschuh. Sie können sich exakt spiegeln, aber ein linker Handschuh wird nie so gut in die rechte Hand passen wie in die linke Hand.

Pr. Dipanjan Pan

Nutzung der Chiralität im Gesundheitswesen

Die Forscher synthetisierten Borophene‑Plättchen, ähnlich wie Fragmente von Borophene in den Blutkreislauf gelangen würden. Sie entdeckten, dass die chiralen Eigenschaften der verschiedenen Versionen von Borophene unterschiedlich mit den Zellmembranen interagierten und die Zellen unterschiedlich betraten.

Dies eröffnet den Weg zur Entwicklung maßgeschneiderter Borophene‑Strukturen für Anwendungen wie die „Entwicklung hochauflösender medizinischer Bildgebung mit Kontrastmitteln, die Zellinteraktionen präzise verfolgen können, oder verbesserte Medikamentenabgabe mit punktgenauen Material‑Zell‑Interaktionen“.

Ein besseres Verständnis darüber, wie die Borophene‑Struktur mit lebenden Zellen interagiert, wird ebenfalls dazu beitragen, ihr Sicherheitsprofil zu klären.

Es könnte auch zu sichereren, effektiveren implantierbaren medizinischen Geräten führen, die die einzigartigen Eigenschaften von Borophene nutzen. Es ist nicht nur ein sehr leichtes und starkes Material, sondern Borophene ermöglicht auch eine effektive magnetische und elektronische Steuerung.

Daher könnte Borophene auch zur Entwicklung von Biosensoren oder bio‑mechanischen Systemen verwendet werden.

Weitere Anwendungen von Borophene

Ähnlich wie Graphen ist Borophene ein vielversprechendes Material für zahlreiche High‑Tech‑Anwendungen. Dazu gehören:

• Photonik Computing: insbesondere könnte Borophene in Lasern für photonikbezogene Anwendungen eingesetzt werden borophene could be used in laser for photonics applications.
• Katalyse, insbesondere für Interaktionen mit Wasserstoff und Sauerstoff. Es könnte auch verwendet werden, um Wasserstoff effizienter zu speichern.
• Sensoren, insbesondere für Gase, aber auch, wie erwähnt, für Bio‑Bildgebung wie Fluoreszenz‑Bildgebung, photothermische Bildgebung und photoakustische Bildgebung.
• Batterien, einschließlich der Herstellung von Anoden aus Borophene.
• Fortschrittliche Energie, einschließlich Ultrakondensatoren und Supraleiter.

Diese Anwendungen könnten potenziell vom chiralen Borophene profitieren, und das neue Material muss für jede Anwendung separat getestet werden.

Potenzielle Borophene‑Unternehmen

Als ein vor weniger als einem Jahrzehnt entdecktes Material ist Borophene noch weit von der Massenproduktion entfernt und hauptsächlich auf Materialwissenschafts‑ (und bald Biologie‑)Labore beschränkt.

Allerdings ist die Methode, mit der Borophene 2015 erstmals synthetisiert wurde, ein Verfahren namens „Chemical Vapor Deposition“ (CVD), das keine neue Technologie ist. Es wird in der Halbleiterindustrie häufig zur Herstellung von integrierten Schaltkreisen und photovoltaischen (Solar‑Panel‑)Systemen eingesetzt.

CVD wird verwendet, um ultradünne Schichten von Silizium, Wolfram, Graphen und sogar synthetischen Diamanten zu erzeugen. Daher könnte jedes Unternehmen, das bereits führend im Bereich CVD‑Ausrüstung ist, stark von der wachsenden Bandbreite an Anwendungen für Graphen und nun Borophene profitieren.

CVD ist Teil der Werkzeuge, die von vielen Halbleiterunternehmen verwendet werden, die wir in „Top 10 Semiconductor Equipment Stocks for Manufacturing Support“ aufgelistet haben. Aber einige Unternehmen sind stärker mit der CVD‑Technologie verbunden als andere, die in verschiedenen Bereichen des Halbleiterfertigungsprozesses aktiv sind.

1. Veeco

Veeco ist seit seiner Gründung im Jahr 1945 ein wichtiger Lieferant von Ausrüstung für die Halbleiterfertigungsindustrie. Seine Maschinen werden bei der Herstellung fortschrittlicher EUV‑Chip‑Fertigung, 5G‑Antennen, Festplatten, LIDAR, LEDs, Leistungselektronik für Elektrofahrzeuge usw. eingesetzt.

Quelle: Veeco

Der technologische Hauptfokus des Unternehmens liegt auf demselben CVD‑Verfahren, das für die Borophene‑Produktion verwendet wird, genauer gesagt MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Quelle: Veeco

Als führendes Unternehmen in diesem Nischensegment der Halbleiterindustrie könnte Veeco ein guter Kandidat sein, auf den Aufstieg weiterer CVD‑Anwendungen zu setzen, die sich aus der zunehmenden Nutzung von Graphen, Wolfram und Borophene ergeben, da wir immer besser darin werden, Materie auf atomarer Ebene zu manipulieren.

Es wird wahrscheinlich auch von den massiven Trends der Digitalisierung, KI und Elektrifizierung profitieren.

2. Ulvac (6728.T)

Das japanische Unternehmen Ulvac ist Spezialist für Vakuumtechnologie, die insbesondere in CVD‑ und Halbleiteranwendungen eingesetzt wird. Das macht es zu einem wichtigen Ausrüstungsanbieter für Hersteller von Chips, LEDs, Photovoltaik, Batterien usw.

Quelle: Ulvac

Das Unternehmen ist zudem in anderen Märkten aktiv, insbesondere im FPD (Flat Panel Display) wie Bildschirmen und Fernsehern. Es produziert auch Teile aus hochleistungsfähigen Metallen wie Titan, Tantal, Zirkonium, Niob usw., sowie Industrieausrüstung für ein sehr breites Anwendungsspektrum (Teile für Verbrennungsmotoren, magnetische Materialien, Gefriertrocknung oder Reinigung von Pharmazeutika, Vakuumtrocknung von Lebensmitteln).

Quelle: Ulvac Q3 2024

Ulvac‑Technologie ist für den CVD‑Prozess entscheidend, und sein Umsatz wird wahrscheinlich von neuen Anwendungen und der wachsenden Nachfrage nach fortschrittlichen Materialien, die Vakuum benötigen, wie Batterien, Chips, Solarpanels, Magneten, LEDs, Bildschirmen, fortschrittlichen Pharmazeutika usw., profitieren.

Allerdings ist es dank des breiteren Anwendungsspektrums weniger abhängig von der Aktivität der Halbleiterindustrie als reine CVD‑Unternehmen wie Veeco.

Angesichts der zyklischen Natur des Geschäfts von Lieferanten von Halbleiterfertigungsgeräten macht dies Ulvac zu einer wahrscheinlich weniger volatilen Investition. Es sollte auch weniger dem wachsenden Risiko von Handelskriegen zwischen den USA und China in der Halbleiterindustrie ausgesetzt sein.