Cacat Graphene yang Dirancang Membuka Potensi Teknologi Baru

Bagaimana Cacat yang Dirancang Meningkatkan Kinerja Graphene

Material 2D, yang membentuk lapisan tunggal atom, di mana graphene adalah yang paling dipahami dan paling sering dipelajari, bersama borophene, goldene, dan lainnya, menunjukkan sifat luar biasa yang sangat berbeda dari atom yang sama dalam struktur atom 3D normal.

Sebagian besar hal ini berasal dari elektron π yang terdelokalisasi pada graphene, yang dapat bergerak bebas melintasi kisi 2D‑nya, memberikan sifat termal, listrik, dan mekanik yang luar biasa.

Namun kinerja terbaik sering diamati ketika material ini tidak sepenuhnya homogen, melainkan mengandung impuritas tambahan yang menciptakan efek kuantum dan kimia unik lebih lanjut.

“Studi kami mengeksplorasi cara baru untuk membuat graphene. Material super‑tipis dan super‑kuat ini terbuat dari atom karbon, dan meskipun graphene sempurna luar biasa, kadang terlalu sempurna.

Ia berinteraksi lemah dengan material lain dan kekurangan sifat elektronik penting yang dibutuhkan dalam industri semikonduktor.”

David Duncan – Associate Professor dari University of Nottingham

Peneliti di berbagai universitas di Inggris, Jerman, dan Swedia (kolaborasi lebih dari 12 universitas) telah menemukan cara memperkenalkan “cacat” semacam itu ke dalam graphene dalam prosedur satu‑langkah, membuka jalan bagi material graphene yang secara radikal ditingkatkan.

Mereka mempublikasikan temuan mereka di jurnal ilmiah Chemical Science¹, dengan judul “One-step synthesis of graphene containing topological defects”.

Keterbatasan Graphene

Diklaim sebagai material ajaib sejak penemuannya pada 2004, graphene masih lambat diadopsi secara nyata lebih dari dua dekade kemudian.

Hal ini karena graphene jarang berinteraksi dengan material lain sebagaimana peneliti dan produsen menginginkannya.

Graphene biasanya dibangun dari pola berulang enam atom karbon yang tersusun dalam cincin datar.

Sumber: Journal Of Nanotechnology

Molekul lain yang dimasukkan ke dalam struktur ini dapat membuatnya berinteraksi lebih baik dengan material lain, tetapi sering menurunkan sifat yang membuat graphene menarik pada awalnya.

Metode‑metode ini juga kurang terkontrol, menghasilkan hasil yang tidak konsisten dan hasil akhir yang tidak homogen.

Jadi triknya adalah menemukan cara meningkatkan interaksi graphene sambil mempertahankan sifat‑sifatnya.

Menemukan Cacat yang Tepat

Dengan menggunakan komputasi, peneliti menentukan bahwa cacat yang ditargetkan dalam penelitian ini harus berupa cincin 5 dan 7 atom yang bersebelahan, yang dalam fisika dikenal sebagai Stone-Wales defect.

Azupyrene, molekul organik dengan bentuk unik, ditemukan hampir sempurna cocok dengan apa yang dibutuhkan untuk meningkatkan graphene. Karena azupyrene secara alami mengandung geometri cincin 5‑ dan 7‑anggota ini, ia berfungsi sebagai “templat” selama pertumbuhan alih‑alih kerusakan acak.

Sumber: Chemical Science

Graphene + azupyrene ditumbuhkan pada substrat tembaga, menggunakan metode yang disebut chemical vapour deposition (CVD), yang umum dipakai untuk membuat graphene dan semikonduktor.

Pertumbuhan dilakukan dalam lingkungan bebas oksigen dengan ultra‑high vacuum (UHV), dengan tekanan serendah 10⁻¹⁰ mbar.

Menilai Kinerja Graphene yang Dimodifikasi

Kebersihan kristal dinilai dengan X‑ray photoelectron spectroscopy (XPS), low‑energy electron diffraction (LEED), dan scanning tunnelling microscopy (STM).

Sumber: Chemical Science

Ternyata pada suhu substrat yang sangat tinggi, hingga 1000 K (726 °C / 1340 °F), azupyrene membentuk graphene ideal yang menunjukkan superstruktur moiré.

Pengamatan mikroskopik menunjukkan cacat cincin 5‑/7‑anggota tertanam dalam kisi cincin 6‑anggota (graphene).

Sumber: Chemical Science

Pada konsentrasi tinggi dan dengan penyesuaian suhu, cincin 5‑ dan 7‑anggota muncul dalam bentuk pulau, seperti yang ditunjukkan oleh non‑contact atomic force microscopy (nc‑AFM).

Jadi tidak hanya metode ini dapat menghasilkan hasil yang konsisten, tetapi konsentrasi tepat azupyrene yang terintegrasi ke dalam graphene dapat disetel secara halus menggunakan suhu yang berbeda selama proses CVD.

Sumber: Chemical Science

Aplikasi

Geser untuk menggulir →

Ini adalah salah satu kali pertama cacat “graphene” diperkenalkan tidak hanya dengan molekul yang tepat untuknya, tetapi juga dengan cara yang sepenuhnya dapat dikontrol.

“Dengan memilih molekul awal dan kondisi pertumbuhan secara hati‑hati, kami telah menunjukkan bahwa memungkinkan untuk menumbuhkan graphene di mana ketidaksempurnaan dapat diperkenalkan secara lebih terkontrol. Kami mengkarakterisasi tanda‑tanda ketidaksempurnaan ini dengan menggabungkan pencitraan skala atom, spektroskopi, dan simulasi komputasi.”

Professor Reinhard Maurer – University of Warwick

Graphene yang dimodifikasi ini dapat diikat ke material lain jauh lebih mudah, membuka ruang aplikasi baru yang luas untuk tipe graphene baru ini.

Kami menemukan bahwa cacat dapat membuat graphene lebih “lengket” ke material lain, menjadikannya lebih berguna sebagai katalis, serta meningkatkan kemampuan mendeteksi berbagai gas untuk digunakan dalam sensor.

Cacat juga dapat mengubah properti elektronik dan magnetik graphene, untuk aplikasi potensial dalam industri semikonduktor.

David Duncan – Associate Professor dari University of Nottingham

Kami sebelumnya melaporkan bagaimana graphene semakin banyak digunakan untuk spintronics, sel bahan bakar hidrogen, antenna 6G THz, dan manajemen termal baterai, di antara banyak contoh lainnya.

Teknologi CVD dan Peran Veeco dalam Material Lanjutan

Veeco telah menjadi pemasok utama peralatan untuk industri manufaktur semikonduktor sejak didirikan pada 1945. Mesin‑mesinnya digunakan dalam produksi pembuatan chip EUV canggih, antena 5G, hard drive, LIDAR, LED, elektronik daya untuk kendaraan listrik, dll.

Sumber: Veeco

Fokus teknologi utama perusahaan adalah proses CVD yang sama yang digunakan untuk produksi borophene, atau lebih tepatnya, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Baru bulan lalu (5 November 2025), Veeco mengumumkan pesanan besar untuk sistem Propel®300 MOCVD‑nya dari produsen semikonduktor daya terkemuka. Pesanan ini, khusus untuk epitaksi Gallium Nitride (GaN), mengonfirmasi meningkatnya permintaan komersial untuk peralatan deposisi presisi serupa yang dibutuhkan untuk produksi graphene berskala.

Perusahaan ini tersebar secara geografis, dengan China menyumbang hanya 28 % dari total pendapatan, meskipun wilayah Asia‑Pasifik lainnya menyumbang setengah dari total pendapatan, mencerminkan pentingnya wilayah tersebut dalam manufaktur komponen elektronik.

Teknologi ini secara progresif telah digunakan untuk semakin banyak proses manufaktur, dari hard drive pada 1990‑an hingga LED dan semikonduktor canggih saat ini.

Sumber: Veeco

Sebagai pemimpin dalam segmen niche industri semikonduktor ini, Veeco dapat menjadi kandidat yang baik untuk bertaruh pada peningkatan aplikasi CVD. Dan sebagai produsen peralatan, Veeco tidak bergantung pada pasar niche atau teknologi apa yang digunakan, selama prosesnya melibatkan CVD pada satu langkah.

Hal ini mendorong perusahaan memproyeksikan pertumbuhan cepat dari total pasar yang dapat dijangkau, didorong sebagian besar oleh teknik laser annealing canggih dan deposisi ion beam.

Sumber: Veeco

Pertumbuhan semacam ini juga dapat berasal dari penggunaan yang meningkat dari graphene, tungsten, dan borophene, seiring kami semakin mahir memanipulasi materi pada tingkat atom dan memanfaatkan material 2D untuk aplikasi baru.

Ini juga kemungkinan akan mendapat manfaat dari tren besar digitalisasi, AI, dan elektrifikasi, apakah ia akan secara masif menggunakan material 2D dalam waktu dekat atau tidak.

Berita Saham dan Perkembangan Terbaru Veeco Instruments (VECO)

Studi Dirujuk

^{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}