Ciencia de materiales
Los defectos de grafeno diseñados desbloquean nuevo potencial tecnológico
Cómo los defectos diseñados mejoran el rendimiento del grafeno
Materiales 2D, que forman una sola capa de átomos, de los cuales el grafeno es el más comprendido y estudiado habitualmente, junto a borophene, goldene, y otros, muestran propiedades notables que difieren considerablemente de los mismos átomos en una estructura atómica 3D normal.
En gran parte, esto proviene de los electrones π deslocalizados del grafeno, que pueden moverse libremente a través de su red 2D, otorgándole propiedades térmicas, eléctricas y mecánicas excepcionales.
Pero el mejor rendimiento a menudo se observa cuando estos materiales no son perfectamente homogéneos, sino que contienen impurezas adicionales que crean efectos cuánticos y químicos únicos.
“Nuestro estudio explora una nueva forma de fabricar grafeno. Este material súper delgado y súper fuerte está formado por átomos de carbono, y aunque el grafeno perfecto es notable, a veces es demasiado perfecto.
Interactúa débilmente con otros materiales y carece de propiedades electrónicas cruciales requeridas en la industria de semiconductores.”
David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham
Investigadores de varias universidades del Reino Unido, Alemania y Suecia (una colaboración entre más de 12 universidades diferentes) han encontrado una manera de introducir tal “defecto” en el grafeno mediante un procedimiento de 1 paso, abriendo la vía a materiales de grafeno radicalmente mejorados.
Publicaron sus hallazgos en la revista científica Chemical Science1, bajo el título “One-step synthesis of graphene containing topological defects”.
Resumen
- Los investigadores han desarrollado un método CVD de un solo paso para crecer grafeno con defectos controlados de anillos de 5 y 7 miembros.
- Estas “imperfecciones” mejoran la capacidad del grafeno para unirse a otros materiales, impulsando el rendimiento en catálisis, sensores y electrónica.
- El proceso utiliza una molécula llamada azupireno como plantilla, produciendo concentraciones de defectos altamente uniformes y ajustables.
- Este avance podría desbloquear una adopción más amplia de materiales 2D en chips, baterías, sistemas de hidrógeno y componentes 6G.
- Veeco Instruments (VECO), líder en equipos CVD, podría beneficiarse a medida que los materiales 2D con defectos diseñados expanden los casos de uso comerciales.
Las limitaciones del grafeno
Alardeado como un material milagroso desde su descubrimiento en 2004, el grafeno ha sido lento en su adopción real más de dos décadas después.
Esto se debe a que el grafeno rara vez interactúa con otros materiales de la manera que investigadores y fabricantes desearían.
Normalmente, el grafeno se construye a partir de un patrón repetitivo de seis átomos de carbono dispuestos en un anillo plano.
Fuente: Journal Of Nanotechnology
Otras moléculas insertadas en esta estructura pueden hacer que interactúe mejor con otros materiales, pero a menudo degradan las propiedades que hacen al grafeno interesante en primer lugar.
Estos métodos también están mal controlados, lo que resulta en resultados inconsistentes y un producto final no homogéneo.
Así que el truco es encontrar cómo mejorar las interacciones del grafeno mientras se preservan sus propiedades.
Encontrar el defecto correcto
Usando cálculos, los investigadores determinaron que el defecto objetivo en esta investigación debería ser anillos vecinos de 5 y 7 átomos, conocido en física como un defecto Stone‑Wales.
Azupireno, una molécula orgánica con una forma única, resultó coincidir casi perfectamente con lo necesario para mejorar el grafeno. Debido a que el azupireno contiene naturalmente esta geometría de anillos de 5 y 7, actúa como una “plantilla” durante el crecimiento en lugar de causar daño aleatorio.
Fuente: Chemical Science
El grafeno + azupireno se cultivó sobre un sustrato de cobre, usando un método llamado deposición química de vapor (CVD), comúnmente usado para crear grafeno y semiconductores.
El crecimiento se realizó en un entorno sin oxígeno con ultra alto vacío (UHV), con presiones tan bajas como 10−10 mbar.
Evaluación del rendimiento del grafeno modificado
La limpieza del cristal se evaluó mediante espectroscopía fotoelectrónica de rayos X (XPS), difracción de electrones de baja energía (LEED) y microscopía de túnel de barrido (STM).
Fuente: Chemical Science
Se observó que a temperaturas de sustrato muy elevadas, hasta 1000 K (726 °C / 1340 °F), el azupireno forma un grafeno ideal que muestra superestructuras moiré.
La observación microscópica muestra defectos de anillos de 5/7 integrados en una red de anillos de 6 miembros (grafeno).
Fuente: Chemical Science
A alta concentración y con ajuste de temperatura, los anillos de 5 y 7 están presentes en islas, como se demostró con microscopía de fuerza atómica sin contacto (nc‑AFM).
Así, no solo este método puede producir resultados consistentes, sino que la concentración exacta de azupireno integrado en el grafeno puede ajustarse finamente usando diferentes temperaturas durante el proceso CVD.
Fuente: Chemical Science
Aplicaciones
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| Aplicación | Cómo ayudan los defectos | Impacto en la industria |
|---|---|---|
| Detección de gases | Los defectos aumentan la reactividad y los sitios de unión. | Sensores ambientales e industriales más sensibles. |
| Catálisis | Mayor “adhesividad” para reacciones catalíticas. | Procesos químicos más limpios; menores requerimientos energéticos. |
| Semiconductores | Propiedades electrónicas y magnéticas alteradas. | Posible uso en componentes de chips y dispositivos de próxima generación. |
Esta es una de las primeras veces que los “defectos” del grafeno se introducen no solo con el tipo de molécula perfecto para ello, sino también de manera perfectamente controlable.
“Al elegir cuidadosamente la molécula inicial y las condiciones de crecimiento, hemos demostrado que es posible cultivar grafeno en el que las imperfecciones pueden introducirse de forma más controlada. Caracterizamos las firmas de estos imperfectos combinando imágenes a escala atómica, espectroscopía y simulación computacional.”
Este grafeno modificado puede unirse a otros materiales con mucha más facilidad, abriendo un nuevo espacio de aplicaciones para este nuevo tipo de grafeno.
Descubrimos que los defectos pueden hacer que el grafeno sea más “pegajoso” a otros materiales, haciéndolo más útil como catalizador, además de mejorar su capacidad de detectar diferentes gases para su uso en sensores.
Los defectos también pueden alterar las propiedades electrónicas y magnéticas del grafeno, con potenciales aplicaciones en la industria de semiconductores.
David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham
Anteriormente informamos cómo el grafeno se está usando cada vez más para spintrónica, pilas de combustible de hidrógeno, antenas 6G THz, y gestión térmica de baterías, entre muchos otros ejemplos.
Tecnología CVD y el papel de Veeco en materiales avanzados
Veeco Instruments Inc.
(VECO )
Veeco ha sido un proveedor importante de equipos para la industria de fabricación de semiconductores desde su fundación en 1945. Sus máquinas se utilizan en la producción de chips EUV avanzados, antenas 5G, discos duros, LIDAR, LEDs, electrónica de potencia para vehículos eléctricos, etc.
Fuente: Veeco
El enfoque tecnológico principal de la compañía es el mismo proceso CVD usado para la producción de borofeno, o más precisamente, MOCVD (Deposición Química de Vapor Metal‑Orgánica).
Justo el mes pasado (5 de noviembre de 2025), Veeco anunció un pedido importante para su sistema Propel®300 MOCVD de un fabricante líder de semiconductores de potencia. Este pedido, específicamente para epitaxia de nitruro de galio (GaN), valida la creciente demanda comercial de equipos de deposición precisos similares a los que se requerirían para la producción a escala de grafeno.
La compañía está geográficamente diversificada, con China representando solo el 28 % de los ingresos totales, aunque el resto de la región Asia‑Pacífico representa la mitad de los ingresos totales, reflejando la importancia de la región en la fabricación de componentes electrónicos.
Esta tecnología se ha utilizado progresivamente en más y más procesos de fabricación, desde discos duros en los años 90 hasta LEDs y semiconductores avanzados hoy en día.
Fuente: Veeco
Como líder en este segmento nicho de la industria de semiconductores, Veeco podría ser un buen candidato para apostar por el auge de más aplicaciones CVD. Y como fabricante de equipos, Veeco no depende del nicho de mercado o tecnología que se utilice, siempre que se emplee CVD en alguna etapa de su proceso.
Esto llevó a la compañía a proyectar un rápido crecimiento de su mercado total direccionable, impulsado en gran parte por técnicas avanzadas de recocido láser y deposición por haz de iones.
Fuente: Veeco
Tal crecimiento también podría derivarse del uso creciente de grafeno, tungsteno y borofeno, a medida que mejoramos progresivamente la manipulación de la materia a nivel atómico y aprovechamos los materiales 2D para nuevas aplicaciones.
Probablemente también se beneficiará de las enormes tendencias de digitalización, IA y electrificación, ya sea que use masivamente materiales 2D pronto o no.
Conclusiones para inversores
- El grafeno con defectos diseñados podría acelerar la comercialización en sensores, semiconductores y sistemas energéticos mejorados con materiales.
- La capacidad de producir defectos precisos a escala elimina una de las mayores barreras para la adopción del grafeno.
- Las empresas que suministran equipos CVD —especialmente Veeco Instruments (VECO)— están posicionadas para beneficiarse sin importar qué material 2D resulte ganador.
- Los pedidos recientes (noviembre 2025) de los sistemas Propel®300 de Veeco confirman una fuerte demanda industrial de herramientas MOCVD avanzadas.
- Los inversores deberían vigilar cuán rápido la industria integra el grafeno afinado con defectos y si los pedidos de equipos reflejan este cambio emergente.
Últimas noticias y desarrollos de acciones de Veeco Instruments (VECO)
Estudio referenciado
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
