इंजीनियर्ड ग्रैफ़ीन दोष नई तकनीकी संभावनाओं को खोलते हैं

इंजीनियर्ड दोष ग्रैफ़ीन प्रदर्शन को कैसे सुधारते हैं

2D सामग्री, जो परमाणुओं की एकल परत बनाती हैं, जिनमें ग्रैफ़ीन सबसे अधिक समझी और सामान्यतः अध्ययन की गई है, alongside borophene, goldene, and others, display remarkable properties that are strongly different from the same atoms in a normal 3D atomic structure.

मुख्यतः, यह ग्रैफ़ीन के डेलोकलाइज़्ड π‑इलेक्ट्रॉनों के कारण होता है, जो अपनी 2D लैटिस में स्वतंत्र रूप से चल सकते हैं, जिससे इसे असाधारण थर्मल, इलेक्ट्रिकल और मैकेनिकल गुण मिलते हैं।

लेकिन सबसे अच्छा प्रदर्शन अक्सर तब देखा जाता है जब ये सामग्री पूरी तरह समरूप नहीं होतीं, बल्कि अतिरिक्त अशुद्धियों को शामिल करती हैं जो और भी अनोखे क्वांटम और रासायनिक प्रभाव उत्पन्न करती हैं।

“Our study explores a new way to make graphene. This super-thin, super-strong material is made of carbon atoms, and while perfect graphene is remarkable, it is sometimes too perfect.

It interacts weakly with other materials and lacks crucial electronic properties required in the semiconductor industry.”

David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham

युके, जर्मनी और स्वीडन के विभिन्न विश्वविद्यालयों (12 से अधिक विश्वविद्यालयों के सहयोग) के शोधकर्ताओं ने ग्रैफ़ीन में इस प्रकार का “दोष” एक‑स्टेप प्रक्रिया में पेश करने का तरीका खोजा है, जिससे ग्रैफ़ीन सामग्री में क्रांतिकारी सुधार संभव हुआ है।

उन्होंने अपने निष्कर्ष वैज्ञानिक जर्नल Chemical Science¹ में प्रकाशित किए, जिसका शीर्षक “One-step synthesis of graphene containing topological defects” है।

ग्रैफ़ीन की सीमाएँ

2004 में खोजे जाने के बाद से इसे “चमत्कारिक सामग्री” कहा गया, लेकिन दो दशकों से अधिक समय बाद भी वास्तविक दुनिया में इसका अपनाना धीमा रहा है।

यह इसलिए है क्योंकि ग्रैफ़ीन अक्सर अन्य सामग्री के साथ उस तरह से अंतःक्रिया नहीं करता जैसा शोधकर्ता और निर्माता चाहते हैं।

ग्रैफ़ीन सामान्यतः छह कार्बन परमाणुओं के एक सपाट रिंग के दोहराव वाले पैटर्न से बनता है।

Source: Journal Of Nanotechnology

इस संरचना में अन्य अणुओं को सम्मिलित करने से यह अन्य सामग्री के साथ बेहतर अंतःक्रिया कर सकता है, लेकिन अक्सर वह गुण घटा देता है जो ग्रैफ़ीन को मूल रूप से आकर्षक बनाते हैं।

इन विधियों का नियंत्रण भी खराब होता है, जिससे असंगत परिणाम और गैर‑समरूप अंतिम उत्पाद प्राप्त होते हैं।

इसलिए कुंजी यह है कि ग्रैफ़ीन की अंतःक्रिया को सुधारते हुए उसकी मूल गुणधर्मों को संरक्षित किया जाए।

सही दोष की खोज

गणना के माध्यम से शोधकर्ताओं ने निर्धारित किया कि इस शोध में लक्षित दोष पड़ोसी 5 और 7‑परमाणु रिंग होना चाहिए, जिसे भौतिकी में Stone-Wales defect कहा जाता है।

एज़ुपाइरीन, एक अनोखी आकृति वाला कार्बनिक अणु, लगभग पूरी तरह से उस चीज़ से मेल खाता है जो ग्रैफ़ीन को सुधारने के लिए आवश्यक है। क्योंकि एज़ुपाइरीन स्वाभाविक रूप से इस 5‑और‑7‑रिंग ज्यामिति को धारण करता है, यह वृद्धि के दौरान “टेम्पलेट” के रूप में कार्य करता है, न कि यादृच्छिक क्षति के रूप में।

Source: Chemical Science

ग्रैफ़ीन + एज़ुपाइरीन को तांबे के सब्सट्रेट पर उगाया गया, जो रासायनिक वाष्प अवसादन (CVD) नामक विधि का उपयोग करता है, जो ग्रैफ़ीन और अर्धचालकों के निर्माण में सामान्य है।

विकास को ऑक्सीजन‑रहित वातावरण में अल्ट्रा‑हाई वैक्यूम (UHV) के साथ किया गया, जहाँ दबाव 10⁻¹⁰ mbar तक कम था।

संशोधित ग्रैफ़ीन प्रदर्शन का मूल्यांकन

क्रिस्टल की शुद्धता को X‑ray फोटोइलेक्ट्रॉन स्पेक्ट्रोस्कोपी (XPS), लो‑एनर्जी इलेक्ट्रॉन डिफ्रैक्शन (LEED), और स्कैनिंग टनलिंग माइक्रोस्कोपी (STM) द्वारा आंका गया।

Source: Chemical Science

यह देखा गया कि अत्यधिक उच्च सब्सट्रेट तापमान, लगभग 1000 K (726 °C / 1340 °F) पर, एज़ुपाइरीन आदर्श ग्रैफ़ीन बनाता है जो मोइरे सुपरस्ट्रक्चर दर्शाता है।

सूक्ष्म अवलोकन में 5‑/7‑सदस्यीय रिंग दोषों को 6‑सदस्यीय रिंग (ग्रैफ़ीन) के लैटिस में एम्बेडेड दिखाया गया।

Source: Chemical Science

उच्च सांद्रता और तापमान समायोजन पर, 5‑ और 7‑सदस्यीय रिंग द्वीपों के रूप में उपस्थित होते हैं, जैसा कि नॉन‑कॉन्टैक्ट एटॉमिक फोर्स माइक्रोस्कोपी (nc‑AFM) से प्रदर्शित किया गया।

इसलिए न केवल यह विधि सुसंगत परिणाम उत्पन्न कर सकती है, बल्कि एज़ुपाइरीन की ग्रैफ़ीन में एकीकृत सटीक सांद्रता को CVD प्रक्रिया के विभिन्न तापमानों के माध्यम से बारीकी से ट्यून किया जा सकता है।

Source: Chemical Science

अनुप्रयोग

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यह उन शुरुआती उदाहरणों में से एक है जहाँ ग्रैफ़ीन “दोष” न केवल सही प्रकार के अणु के साथ प्रस्तुत किए जा रहे हैं, बल्कि पूरी तरह नियंत्रित तरीके से भी।

“हमने सावधानीपूर्वक प्रारंभिक अणु और वृद्धि स्थितियों का चयन करके दिखाया है कि ग्रैफ़ीन को अधिक नियंत्रित तरीके से दोषों के साथ उगाना संभव है। हम इन अपूर्णताओं के संकेतों को एटॉमिक‑स्केल इमेजिंग, स्पेक्ट्रोस्कोपी और कम्प्यूटेशनल सिमुलेशन को मिलाकर विश्लेषित करते हैं.”

Professor Reinhard Maurer – University of Warwick

यह संशोधित ग्रैफ़ीन अन्य सामग्री के साथ बहुत आसानी से बंध सकता है, जिससे इस नई प्रकार की ग्रैफ़ीन के लिए अनुप्रयोगों का एक नया क्षेत्र खुलता है।

हमने पाया कि दोष ग्रैफ़ीन को अन्य सामग्री के प्रति अधिक “चिपचिपा” बनाते हैं, जिससे यह उत्प्रेरक के रूप में अधिक उपयोगी बनता है, साथ ही सेंसर में विभिन्न गैसों का पता लगाने की क्षमता भी बढ़ती है।

दोष इलेक्ट्रॉनिक और चुंबकीय गुणों को भी बदल सकते हैं, जिससे अर्धचालक उद्योग में संभावित अनुप्रयोग मिलते हैं।

David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham

हमने पहले बताया था कि ग्रैफ़ीन का उपयोग spintronics, hydrogen fuel cells, 6G THz antennas, और battery thermal management सहित कई अन्य उदाहरणों में बढ़ता जा रहा है।

CVD तकनीक और Veeco की उन्नत सामग्री में भूमिका

Veeco Instruments Inc.

Veeco ने 1945 में अपनी स्थापना के बाद से अर्धचालक निर्माण उद्योग को उपकरणों की प्रमुख आपूर्ति की है। इसके मशीनों का उपयोग उन्नत EUV चिप निर्माण, 5G एंटीना, हार्ड ड्राइव, LIDAR, LEDs, इलेक्ट्रिक वाहन (EV) के पावर इलेक्ट्रॉनिक्स आदि में किया जाता है।

Source: Veeco

कंपनी का मुख्य तकनीकी फोकस वही CVD प्रक्रिया है जो बोरॉफ़ेन उत्पादन में उपयोग होती है, या अधिक सटीक रूप से, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition)।

सिर्फ पिछले महीने (5 नवंबर, 2025) Veeco ने घोषित किया कि उसने एक प्रमुख पावर अर्धचालक निर्माता से अपने Propel®300 MOCVD सिस्टम का बड़ा ऑर्डर प्राप्त किया। यह ऑर्डर, विशेष रूप से Gallium Nitride (GaN) एपिटैक्सी के लिए, स्केल्ड ग्रैफ़ीन उत्पादन के लिए आवश्यक सटीक डिपोज़िशन उपकरण की बढ़ती व्यावसायिक मांग को प्रमाणित करता है।

कंपनी भौगोलिक रूप से विविधित है, जहाँ चीन कुल राजस्व का केवल 28 % प्रतिनिधित्व करता है, जबकि एशिया‑पैसिफिक क्षेत्र कुल राजस्व का आधा हिस्सा बनाता है, जो इलेक्ट्रॉनिक घटक निर्माण में इस क्षेत्र के महत्व को दर्शाता है।

यह तकनीक धीरे‑धीरे अधिक और अधिक विनिर्माण प्रक्रियाओं में उपयोग की जा रही है, 1990 के दशक में हार्ड ड्राइव से लेकर आज के LEDs और उन्नत अर्धचालकों तक।

Source: Veeco

सेमिकंडक्टर उद्योग के इस विशेष खंड में एक नेता के रूप में, Veeco अधिक CVD अनुप्रयोगों के उदय पर दांव लगाने के लिए एक अच्छा उम्मीदवार हो सकता है। और एक उपकरण निर्माता के रूप में, Veeco किसी भी निचे बाजार या तकनीक पर निर्भर नहीं है, बशर्ते वह किसी न किसी चरण में CVD का उपयोग करे।

इसने कंपनी को अपने कुल पता योग्य बाजार (TAM) की तेज़ी से वृद्धि की भविष्यवाणी करने के लिए प्रेरित किया है, जो मुख्यतः उन्नत लेज़र एनीलिंग और आयन बीम डिपोज़िशन तकनीकों द्वारा संचालित है।

Source: Veeco

ऐसी वृद्धि ग्रैफ़ीन, टंगस्टन और बोरॉफ़ेन के बढ़ते उपयोग से भी उत्पन्न हो सकती है, क्योंकि हम परमाणु स्तर पर पदार्थ को नियंत्रित करने और नई अनुप्रयोगों के लिए 2D सामग्री का लाभ उठाने में लगातार बेहतर होते जा रहे हैं।

यह डिजिटलाइजेशन, AI और इलेक्ट्रिफिकेशन जैसी विशाल प्रवृत्तियों से भी लाभान्वित होगा, चाहे वह जल्द ही 2D सामग्री का बड़े पैमाने पर उपयोग करे या नहीं।

नवीनतम Veeco Instruments (VECO) स्टॉक समाचार और विकास

संदर्भित अध्ययन

^{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}