Materiaalkunde
Gegeneerde defecten in grafeen ontsluiten nieuw technisch potentieel
Voeg Securities.io toe aan je voorkeursbronnen op Google
Hoe gegeneerde defecten de prestaties van grafeen verbeteren
2D-materialen, bestaande uit een enkele atomaire laag, waarvan grafeen het best begrepen en meest bestudeerde is, naast borophene, goldene, en andere, vertonen opmerkelijke eigenschappen die sterk verschillen van dezelfde atomen in een normale 3D‑atomaire structuur.
Voor een groot deel komt dit door de gedeelde π‑elektronen van grafeen, die vrijelijk over het 2D‑rooster kunnen bewegen, waardoor het uitzonderlijke thermische, elektrische en mechanische eigenschappen krijgt.
Maar de beste prestaties worden vaak waargenomen wanneer deze materialen niet perfect homogeen zijn, maar extra onzuiverheden bevatten die verdere unieke kwantum‑ en chemische effecten creëren.
“Onze studie onderzoekt een nieuwe manier om grafeen te maken. Dit superdunne, supersterke materiaal bestaat uit koolstofatomen, en hoewel perfect grafeen opmerkelijk is, is het soms te perfect.
Het interageert zwak met andere materialen en mist cruciale elektronische eigenschappen die nodig zijn in de halfgeleiderindustrie.”
David Duncan – Associate Professor van de Universiteit Nottingham
Onderzoekers aan verschillende universiteiten in het VK, Duitsland en Zweden (een samenwerking tussen meer dan 12 universiteiten) hebben een manier gevonden om zo’n “defect” in één stap in grafeen te introduceren, waardoor radicaal verbeterde grafeenmaterialen mogelijk worden.
Ze publiceerden hun bevindingen in het wetenschappelijke tijdschrift Chemical Science1, onder de titel “One-step synthesis of graphene containing topological defects”.
Samenvatting
- Onderzoekers hebben een één‑staps CVD‑methode ontwikkeld om grafeen te laten groeien met gecontroleerde 5‑ en 7‑ringdefecten.
- Deze “onvolkomenheden” verbeteren het vermogen van grafeen om te binden met andere materialen, wat de prestaties voor katalyse, sensoren en elektronica verhoogt.
- Het proces gebruikt een molecuul genaamd azupyreen als sjabloon, waardoor zeer uniforme en afstelbare defectconcentraties worden geproduceerd.
- Deze doorbraak kan de bredere adoptie van 2D‑materialen in chips, batterijen, waterstofsystemen en 6G‑componenten versnellen.
- Veeco Instruments (VECO ) (VECO), een leider in CVD‑apparatuur, kan profiteren naarmate defect‑geengineerde 2D‑materialen commerciële toepassingen vinden.
De beperkingen van grafeen
Geprezen als een wondermateriaal sinds de ontdekking in 2004, is grafeen meer dan twee decennia later nog traag in de real‑world adoptie.
Dit komt doordat grafeen zelden interageert met andere materialen op de manier die onderzoekers en fabrikanten wensen.
Grafeen wordt normaal opgebouwd uit een herhalend patroon van zes koolstofatomen die een vlakke ring vormen.
Andere moleculen die in deze structuur worden ingebracht, kunnen de interactie met andere materialen verbeteren, maar vaak de eigenschappen die grafeen in de eerste plaats interessant maken, aantasten.
Deze methoden zijn ook slecht gecontroleerd, wat leidt tot inconsistente resultaten en een niet‑homogeen eindproduct.
Dus de truc is te ontdekken hoe de interacties van grafeen te verbeteren terwijl de oorspronkelijke eigenschappen behouden blijven.
Het juiste defect vinden
Met behulp van berekeningen bepaalden de onderzoekers dat het defect dat in dit onderzoek wordt nagestreefd, moet bestaan uit aangrenzende 5‑ en 7‑ringstructuren, bekend in de fysica als een Stone‑Wales‑defect.
Azupyreen, een organisch molecuul met een unieke vorm, bleek bijna perfect te passen bij wat nodig was om grafeen te verbeteren. Omdat azupyreen van nature deze 5‑ en 7‑ringgeometrie bevat, fungeert het als een “sjabloon” tijdens de groei in plaats van willekeurige schade.
Bron: Chemical Science
Het grafeen + azupyreen werd gegroeid op een koperen substraat, met behulp van een methode die chemische dampafzetting (CVD) wordt genoemd, algemeen gebruikt voor het maken van grafeen en halfgeleiders.
De groei vond plaats in een zuurstofvrije omgeving met ultra‑hoge vacuüm (UHV), met een druk zo laag als 10−10 mbar.
De prestaties van gemodificeerd grafeen beoordelen
De zuiverheid van het kristal werd beoordeeld met behulp van röntgen‑fotoelektronenspectroscopie (XPS), low‑energy electron diffraction (LEED) en scanning tunnelling microscopy (STM).
Bron: Chemical Science
Het bleek dat bij sterk verhoogde substraattemperaturen, tot wel 1000 K (726 °C / 1340 °F), azupyreen ideaal grafeen vormt dat moiré‑superstructuren vertoont.
De microscopische observatie toont 5‑/7‑ringdefecten ingebed in een rooster van 6‑ringstructuren (grafeen).
Bron: Chemical Science
Bij hoge concentratie en met temperatuurregeling zijn de 5‑ en 7‑ringdefecten aanwezig in eilanden, aangetoond met non‑contact atomic force microscopy (nc‑AFM).
Dus niet alleen kan deze methode consistente resultaten opleveren, maar de exacte concentratie van azupyreen die in het grafeen wordt geïntegreerd, kan nauwkeurig worden afgestemd door verschillende temperaturen tijdens het CVD‑proces te gebruiken.
Bron: Chemical Science
Toepassingen
Veeg om te scrollen →
| Toepassing | Hoe defecten helpen | Impact op de industrie |
|---|---|---|
| Gassensoren | Defecten verhogen de reactiviteit en bindingsplaatsen. | Gevoeligere milieu‑ en industriële sensoren. |
| Katalyse | Verbeterde “plakbaarheid” voor katalytische reacties. | Schoner chemische processen; lagere energiebehoefte. |
| Halfgeleiders | Aangepaste elektronische en magnetische eigenschappen. | Mogelijk gebruik in chipcomponenten en volgende‑generatie apparaten. |
Dit is een van de eerste keren dat grafeen‑“defecten” worden geïntroduceerd niet alleen met het perfecte type molecuul daarvoor, maar ook op een volledig controleerbare manier.
“Door zorgvuldig het startmolecuul en de groeicondities te kiezen, hebben we aangetoond dat het mogelijk is grafeen te laten groeien waarin onvolkomenheden op een meer gecontroleerde manier kunnen worden geïntroduceerd. We karakteriseren de signalen van deze onvolkomenheden door atomische beeldvorming, spectroscopie en computationele simulatie te combineren.”
Dit gemodificeerde grafeen kan veel gemakkelijker aan andere materialen worden gekoppeld, waardoor een geheel nieuw toepassingsgebied voor dit nieuwe type grafeen ontstaat.
We hebben ontdekt dat de defecten het grafeen “plakkeriger” maken voor andere materialen, waardoor het nuttiger wordt als katalysator, en tevens de mogelijkheid verbetert om verschillende gassen te detecteren voor gebruik in sensoren.
De defecten kunnen ook de elektronische en magnetische eigenschappen van het grafeen wijzigen, wat potentieel is voor toepassingen in de halfgeleiderindustrie.
David Duncan – Associate Professor van de Universiteit Nottingham
We hebben eerder gerapporteerd hoe grafeen steeds vaker wordt gebruikt voor spintronica, waterstofbrandstofcellen, 6G‑THz‑antennes, en batterij‑thermisch beheer, naast vele andere voorbeelden.
CVD‑technologie en de rol van Veeco in geavanceerde materialen
VECO Prijsgrafiek
Veeco is sinds de oprichting in 1945 een belangrijke leverancier van apparatuur voor de halfgeleiderproductie. Zijn machines worden gebruikt bij de productie van geavanceerde EUV‑chipfabricage, 5G‑antennes, harde schijven, LIDAR, LED’s, vermogenselektronica voor EV’s, enz.
Bron: Veeco
De belangrijkste technologische focus van het bedrijf is hetzelfde CVD‑proces dat wordt gebruikt voor de productie van borophene, of preciezer, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).
Pas afgelopen maand (5 november 2025) kondigde Veeco een grote order aan voor zijn Propel®300 MOCVD‑systeem aan een toonaangevende fabrikant van vermogensemi‑geleiders. Deze order, specifiek voor Gallium‑Nitrid (GaN) epitaxie, bevestigt de groeiende commerciële vraag naar precieze afzetapparatuur die vergelijkbaar is met wat nodig zou zijn voor grootschalige grafeenproductie.
Het bedrijf is geografisch gediversifieerd, waarbij China slechts 28 % van de totale omzet vertegenwoordigt, terwijl de rest van de Azië‑Pacific regio de helft van de totale omzet uitmaakt, wat het belang van de regio voor de productie van elektronische componenten weerspiegelt.
Deze technologie wordt geleidelijk gebruikt voor steeds meer productieprocessen, van harde schijven in de jaren ’90 tot LED’s en geavanceerde halfgeleiders van vandaag.
Bron: Veeco
Als leider in dit niche‑segment van de halfgeleiderindustrie zou Veeco een goede kandidaat kunnen zijn om te profiteren van de groei van CVD‑toepassingen. En als apparatuurfabrikant is Veeco niet afhankelijk van welke niche‑markt of technologie wordt gebruikt, zolang CVD maar op een stap in het proces wordt toegepast.
Dit heeft het bedrijf ertoe geleid een snelle groei van de totale adresseerbare markt te projecteren, grotendeels gedreven door geavanceerde laser‑annealing‑ en ion‑straal‑afzettechnieken.
Bron: Veeco
Zo’n groei kan ook voortkomen uit het toenemende gebruik van grafeen, wolfraam en borophene, nu we steeds beter in staat zijn materie op atomair niveau te manipuleren en 2D‑materialen voor nieuwe toepassingen te benutten.
Het zal waarschijnlijk ook profiteren van de enorme trends van digitalisering, AI en elektrificatie, ongeacht of 2D‑materialen op grote schaal worden ingezet.
Belangrijke conclusies voor beleggers
- Defect‑geengineerd grafeen kan de commercialisering in sensoren, halfgeleiders en materiaal‑verbeterde energiesystemen versnellen.
- De mogelijkheid om precieze defecten op schaal te produceren, verwijdert een van de grootste barrières voor grafeen‑adoptie.
- Bedrijven die CVD‑apparatuur leveren — vooral Veeco Instruments (VECO) — staan goed gepositioneerd om te profiteren, ongeacht welk 2D‑materiaal de markt wint.
- Recente orders (nov 2025) voor Veeco’s Propel®300‑systemen bevestigen een sterke industriële vraag naar geavanceerde MOCVD‑tools.
- Beleggers moeten volgen hoe snel de industrie defect‑afgestemd grafeen integreert en of apparatuurorders deze opkomende verschuiving weerspiegelen.
Laatste Veeco Instruments (VECO) aandelennieuws en ontwikkelingen
Bestudeerde studie
1. Klein, B. P., Stoodley, M. A., Deyerling, J., et al. (2025). Eén‑stapsynthese van grafeen met topologische defecten. Chemical Science, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b
