Materialwissenschaft

Konstruktierte Graphen-Defekte erschließen neues Technologiepotenzial

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Wie konstruierte Defekte die Graphenleistung verbessern

2D‑Materialien, die eine einzelne Atomschicht bilden, wobei Graphen das am besten verstandene und am häufigsten untersuchte ist, zusammen mit Borophen, Goldene, und anderen, zeigen bemerkenswerte Eigenschaften, die stark von denselben Atomen in einer normalen 3‑D‑Atomstruktur abweichen.

Zu einem großen Teil resultiert dies aus den delokalisierten π‑Elektronen von Graphen, die sich frei über das 2‑D‑Gitter bewegen können und ihm außergewöhnliche thermische, elektrische und mechanische Eigenschaften verleihen.

Aber die beste Leistung wird oft beobachtet, wenn diese Materialien nicht perfekt homogen sind, sondern zusätzliche Verunreinigungen enthalten, die weitere einzigartige Quanten‑ und chemische Effekte erzeugen.

“Unsere Studie untersucht einen neuen Weg, Graphen herzustellen. Dieses superdünne, superstarke Material besteht aus Kohlenstoffatomen, und obwohl perfektes Graphen bemerkenswert ist, ist es manchmal zu perfekt.

Es interagiert schwach mit anderen Materialien und fehlt entscheidende elektronische Eigenschaften, die in der Halbleiterindustrie erforderlich sind.

David Duncan – Außerordentlicher Professor der University of Nottingham

Forscher an verschiedenen Universitäten in Großbritannien, Deutschland und Schweden (eine Zusammenarbeit von mehr als 12 Universitäten) haben einen Weg gefunden, einen solchen „Defekt“ in Graphen in einem einstufigen Verfahren einzuführen, wodurch radikal verbesserte Graphenmaterialien möglich werden.

Sie veröffentlichten ihre Ergebnisse in der Fachzeitschrift Chemical Science1 unter dem Titel „One-step synthesis of graphene containing topological defects“.

Zusammenfassung

  • Forscher haben ein einstufiges CVD‑Verfahren entwickelt, um Graphen mit kontrollierten 5‑ und 7‑gliedrigen Ringdefekten zu züchten.
  • Diese „Unvollkommenheiten“ verbessern die Bindungsfähigkeit von Graphen an andere Materialien und steigern die Leistung für Katalyse, Sensoren und Elektronik.
  • Der Prozess verwendet ein Molekül namens Azupyren als Vorlage und erzeugt hoch einheitliche und einstellbare Defektkonzentrationen.
  • Dieser Durchbruch könnte die breitere praktische Einführung von 2‑D‑Materialien in Chips, Batterien, Wasserstoffsystemen und 6‑G‑Komponenten ermöglichen.
  • Veeco Instruments (VECO), ein Marktführer für CVD‑Ausrüstung, könnte profitieren, wenn defect‑engineered 2‑D‑Materialien kommerzielle Anwendungsfälle erweitern.

Die Grenzen von Graphen

Als Wundermaterial seit seiner Entdeckung im Jahr 2004 gepriesen, hat Graphen mehr als zwei Jahrzehnte später nur langsame praktische Anwendung gefunden.

Dies liegt daran, dass Graphen selten mit anderen Materialien interagiert, wie es Forscher und Hersteller wünschen.

Graphen besteht normalerweise aus einem wiederholenden Muster von sechs Kohlenstoffatomen, die in einem flachen Ring angeordnet sind.

Andere Moleküle, die in diese Struktur eingefügt werden, können die Interaktion mit anderen Materialien verbessern, aber häufig die Eigenschaften verschlechtern, die Graphen ursprünglich interessant machen.

Diese Methoden sind zudem schlecht kontrolliert, was zu inkonsistenten Ergebnissen und einem nicht homogenen Endprodukt führt.

Der Trick besteht also darin, Wege zu finden, die Interaktion von Graphen zu verbessern, während seine Eigenschaften erhalten bleiben.

Den richtigen Defekt finden

Durch Berechnungen ermittelten die Forscher, dass der in dieser Studie anvisierte Defekt benachbarte 5‑ und 7‑Atome‑Ringe sein sollte, die in der Physik als Stone‑Wales‑Defekt bekannt sind.

Azupyren, ein organisches Molekül mit einer einzigartigen Form, passte fast perfekt zu den Anforderungen zur Verbesserung von Graphen. Da Azupyren von Natur aus diese 5‑ und 7‑Ring‑Geometrie enthält, wirkt es während des Wachstums als „Vorlage“ statt als zufällige Beschädigung.

Das Graphen‑Azupyren‑Material wurde auf einem Kupfer‑Substrat gezüchtet, wobei ein Verfahren namens chemische Gasphasenabscheidung (CVD) verwendet wurde, das üblicherweise zur Herstellung von Graphen und Halbleitern eingesetzt wird.

Das Wachstum erfolgte in einer sauerstofffreien Umgebung mit Ultrahochvakuum (UHV) bei einem Druck von bis zu 10−10 mbar.

Bewertung der modifizierten Graphenleistung

Die Reinheit des Kristalls wurde mittels Röntgen‑Photoelektronenspektroskopie (XPS), niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) und Rastertunnelmikroskopie (STM) beurteilt.

Es zeigte sich, dass bei stark erhöhten Substrattemperaturen von bis zu 1000 K (726 °C / 1340 °F) Azupyren ideales Graphen bildet, das Moiré‑Suprastrukturen aufweist.

Die mikroskopische Beobachtung zeigt 5‑/7‑gliedrige Ringdefekte, die in ein Gitter aus 6‑gliedrigen Ringen (Graphen) eingebettet sind.

Bei hoher Konzentration und Temperaturanpassung sind die 5‑ und 7‑gliedrigen Ringe in Inseln vorhanden, wie die nicht‑kontaktierende Rasterkraftmikroskopie (nc‑AFM) zeigt.

Damit kann diese Methode nicht nur konsistente Ergebnisse liefern, sondern die genaue Konzentration von Azupyren, die in das Graphen integriert wird, lässt sich durch unterschiedliche Temperaturen im CVD‑Prozess feinjustieren.

Anwendungen

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Anwendung Wie Defekte helfen Auswirkungen auf die Branche
Gassensorik Defekte erhöhen die Reaktivität und Bindungsstellen. Sensitivere Umwelt- und Industriesensoren.
Katalyse Verbesserte „Haftung“ für katalytische Reaktionen. Sauberere chemische Prozesse; geringerer Energiebedarf.
Halbleiter Veränderte elektronische & magnetische Eigenschaften. Potenzielle Nutzung in Chipkomponenten & Next‑Gen‑Geräten.

Dies ist einer der ersten Fälle, in denen Graphen‑„Defekte“ nicht nur mit dem perfekten Molekül dafür eingeführt werden, sondern auch auf völlig kontrollierbare Weise.

„Durch die sorgfältige Auswahl des Ausgangsmoleküls und der Wachstumsbedingungen haben wir gezeigt, dass es möglich ist, Graphen zu züchten, in dem Unvollkommenheiten auf kontrolliertere Weise eingeführt werden können. Wir charakterisieren die Signaturen dieser Unvollkommenheiten, indem wir atomskalige Bildgebung, Spektroskopie und computergestützte Simulationen kombinieren.“

Professor Reinhard Maurer – University of Warwick

Dieses modifizierte Graphen lässt sich wesentlich leichter an andere Materialien binden und eröffnet damit völlig neue Anwendungsbereiche für diese neue Graphenart.

Wir haben festgestellt, dass die Defekte das Graphen „klebriger“ für andere Materialien machen, wodurch es als Katalysator nützlicher wird und seine Fähigkeit zur Erkennung verschiedener Gase für den Einsatz in Sensoren verbessert.

Die Defekte können zudem die elektronischen und magnetischen Eigenschaften des Graphens verändern, was potenzielle Anwendungen in der Halbleiterindustrie ermöglicht.

David Duncan – Außerordentlicher Professor der University of Nottingham

Wir haben bereits berichtet, wie Graphen zunehmend für Spintronik, Wasserstoff‑Brennstoffzellen, 6G‑THz‑Antennen und Batterie‑Thermomanagement verwendet, neben vielen weiteren Beispielen.

CVD‑Technologie und Veecos Rolle in fortschrittlichen Materialien

Veeco Instruments Inc.

(VECO )

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

Quelle: Veeco

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

Erst im vergangenen Monat (5. November 2025) kündigte Veeco einen Großauftrag für sein Propel®300‑MOCVD‑System von einem führenden Hersteller von Leistungshalbleitern an. Dieser Auftrag, speziell für Gallium‑Nitrid‑(GaN‑)Epitaxie, bestätigt die wachsende kommerzielle Nachfrage nach präziser Depositionsausrüstung, wie sie für die skalierte Graphenproduktion erforderlich wäre.

Das Unternehmen ist geografisch diversifiziert, wobei China nur 28 % des Gesamtumsatzes ausmacht, während der Rest‑Asien‑Pazifik‑Raum die Hälfte des Gesamtumsatzes ausmacht und damit die Bedeutung der Region für die Herstellung elektronischer Bauteile widerspiegelt.

Diese Technologie wird zunehmend in immer mehr Fertigungsprozessen eingesetzt, von Festplatten in den 1990er‑Jahren bis hin zu LEDs und fortschrittlichen Halbleitern heute.

Quelle: Veeco

Als Marktführer in diesem Nischensegment der Halbleiterindustrie könnte Veeco ein guter Kandidat sein, um vom Aufstieg weiterer CVD‑Anwendungen zu profitieren. Und als Gerätehersteller ist Veeco nicht von einem bestimmten Nischenmarkt oder einer bestimmten Technologie abhängig, solange CVD in irgendeinem Schritt des Prozesses verwendet wird.

Dies veranlasste das Unternehmen, ein rapides Wachstum seines adressierbaren Gesamtmarktes zu prognostizieren, das zu einem großen Teil durch fortschrittliche Laser‑Annealing‑ und Ionenstrahl‑Depositions‑Techniken angetrieben wird.

Quelle: Veeco

Ein solches Wachstum könnte auch aus der zunehmenden Nutzung von Graphen, Wolfram und Borophen resultieren, da wir immer besser darin werden, Materie auf atomarer Ebene zu manipulieren und 2‑D‑Materialien für neue Anwendungen zu nutzen.

Es wird voraussichtlich auch von den massiven Trends der Digitalisierung, KI und Elektrifizierung profitieren, unabhängig davon, ob 2‑D‑Materialien bald massiv eingesetzt werden oder nicht.

Investor‑Takeaways

  • Defekt‑engineertes Graphen könnte die Kommerzialisierung in Sensoren, Halbleitern und materialverbesserten Energiesystemen beschleunigen.
  • Die Fähigkeit, präzise Defekte im großen Maßstab zu produzieren, beseitigt eines der größten Hindernisse für die Einführung von Graphen.
  • Unternehmen, die CVD‑Ausrüstung liefern – insbesondere Veeco Instruments (VECO) – sind gut positioniert, um zu profitieren, unabhängig davon, welches 2‑D‑Material sich durchsetzt.
  • Jüngste Aufträge (Nov 2025) für Veecos Propel®300‑Systeme bestätigen die starke Branchen­nachfrage nach fortschrittlichen MOCVD‑Werkzeugen.
  • Investoren sollten beobachten, wie schnell die Industrie defect‑optimiertes Graphen integriert und ob die Gerätebestellungen diesen aufkommenden Wandel widerspiegeln.

Neueste Veeco Instruments (VECO) Aktiennachrichten und Entwicklungen

Studie referenziert

1. Klein, B. P., Stoodley, M. A., Deyerling, J., et al. (2025). One-step synthesis of graphene containing topological defects. Chemical Science, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b

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Jonathan ist ein ehemaliger Biochemiker-Forscher, der in der genetischen Analyse und klinischen Studien tätig war. Er ist jetzt ein Börsenanalyst und Finanzautor mit Fokus auf Innovation, Marktzyklen und Geopolitik in seiner Publikation The Eurasian Century.