Defeitos de Grafeno Projetados Desbloqueiam Novo Potencial Tecnológico

Como Defeitos Projetados Melhoram o Desempenho do Grafeno

Materiais 2D, formando uma única camada de átomos, dos quais o grafeno é o mais compreendido e estudado, juntamente com borofeno, goldene, e outros, exibem propriedades notáveis que são fortemente diferentes dos mesmos átomos em uma estrutura atômica 3D normal.

Em grande parte, isso decorre dos elétrons π deslocalizados do grafeno, que podem se mover livremente através de sua rede 2D, conferindo-lhe propriedades térmicas, elétricas e mecânicas excepcionais.

Mas o melhor desempenho costuma ser observado quando esses materiais não são perfeitamente homogêneos, mas contêm impurezas adicionais que criam efeitos quânticos e químicos únicos.

“Nosso estudo explora uma nova forma de produzir grafeno. Este material super‑fino e super‑resistente é feito de átomos de carbono, e embora o grafeno perfeito seja notável, às vezes ele é perfeito demais.

Ele interage fracamente com outros materiais e carece de propriedades eletrônicas cruciais exigidas na indústria de semicondutores.”

David Duncan – Professor Associado da Universidade de Nottingham

Pesquisadores de várias universidades do Reino Unido, Alemanha e Suécia (uma colaboração entre mais de 12 universidades diferentes) encontraram uma maneira de introduzir esse “defeito” no grafeno em um procedimento de 1 passo, abrindo caminho para materiais de grafeno radicalmente aprimorados.

Eles publicaram suas descobertas na revista científica Chemical Science¹, sob o título “Síntese em um passo de grafeno contendo defeitos topológicos”.

As Limitações do Grafeno

Apresentado como um material milagroso desde sua descoberta em 2004, o grafeno tem sido de adoção lenta no mundo real mais de duas décadas depois.

Isso ocorre porque o grafeno raramente interage com outros materiais da forma que pesquisadores e fabricantes desejam.

O grafeno normalmente é construído a partir de um padrão repetitivo de seis átomos de carbono dispostos em um anel plano.

Source: Journal Of Nanotechnology

Outras moléculas inseridas nessa estrutura podem melhorar sua interação com outros materiais, mas frequentemente degradam as propriedades que tornam o grafeno interessante em primeiro lugar.

Esses métodos também são pouco controlados, resultando em resultados inconsistentes e um produto final não homogêneo.

Portanto, o desafio é descobrir como melhorar as interações do grafeno preservando suas propriedades.

Encontrando o Defeito Ideal

Usando computação, os pesquisadores determinaram que o defeito alvo nesta pesquisa deveria ser anéis vizinhos de 5 e 7 átomos, conhecido na física como defeito Stone‑Wales.

Azupireno, uma molécula orgânica com forma única, mostrou-se quase perfeitamente compatível com o que era necessário para melhorar o grafeno. Como o azupireno contém naturalmente essa geometria de anéis 5‑e‑7, ele atua como um “modelo” durante o crescimento em vez de causar danos aleatórios.

Source: Chemical Science

O grafeno + azupireno foi cultivado sobre um substrato de cobre, usando um método chamado deposição química de vapor (CVD), comumente usado para criar grafeno e semicondutores.

O crescimento foi realizado em ambiente livre de oxigênio com vácuo ultra‑alto (UHV), com pressão tão baixa quanto 10⁻¹⁰ mbar.

Avaliação do Desempenho do Grafeno Modificado

A limpeza do cristal foi avaliada por espectroscopia fotoeletrônica de raios X (XPS), difração de elétrons de baixa energia (LEED) e microscopia de tunelamento de varredura (STM).

Source: Chemical Science

Observou‑se que, a temperaturas de substrato muito elevadas, até 1000 K (726 °C / 1340 °F), o azupireno forma grafeno ideal que demonstra superestruturas moiré.

A observação microscópica mostra defeitos de anéis de 5/7 incorporados a uma rede de anéis de 6 (grafeno).

Source: Chemical Science

Em alta concentração e com ajuste de temperatura, os anéis de 5 e 7 estão presentes em ilhas, conforme demonstrado com microscopia de força atômica de contato não‑ativo (nc‑AFM).

Portanto, não só esse método pode produzir resultados consistentes, como a concentração exata de azupireno integrada ao grafeno pode ser afinada usando diferentes temperaturas durante o processo CVD.

Source: Chemical Science

Aplicações

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Esta é uma das primeiras vezes que “defeitos” de grafeno são introduzidos não apenas com o tipo perfeito de molécula, mas também de forma perfeitamente controlável.

“Ao escolher cuidadosamente a molécula inicial e as condições de crescimento, demonstramos que é possível cultivar grafeno no qual imperfeições podem ser introduzidas de maneira mais controlada. Caracterizamos as assinaturas desses imperfeitos combinando imagens em escala atômica, espectroscopia e simulação computacional.”

Professor Reinhard Maurer – Universidade de Warwick

Este grafeno modificado pode ser ligado a outros materiais com muito mais facilidade, abrindo um novo espaço de aplicação para esse novo tipo de grafeno.

Descobrimos que os defeitos podem tornar o grafeno mais “aderente” a outros materiais, tornando‑o mais útil como catalisador, além de melhorar sua capacidade de detectar diferentes gases para uso em sensores.

Os defeitos também podem alterar as propriedades eletrônicas e magnéticas do grafeno, para possíveis aplicações na indústria de semicondutores.”

David Duncan – Professor Associado da Universidade de Nottingham

Relatamos anteriormente como o grafeno está sendo cada vez mais usado para spintrônica, células de combustível de hidrogênio, antenas 6G THz, e gerenciamento térmico de baterias, entre muitos outros exemplos.

Tecnologia CVD e o Papel da Veeco em Materiais Avançados

Veeco Instruments Inc.

A Veeco tem sido um fornecedor importante de equipamentos para a indústria de fabricação de semicondutores desde sua fundação em 1945. Suas máquinas são usadas na produção avançada de chips EUV, antenas 5G, discos rígidos, LIDAR, LEDs, eletrônica de potência para veículos elétricos, etc.

Source: Veeco

O foco tecnológico principal da empresa é o mesmo processo CVD usado para a produção de borofeno, ou mais precisamente, MOCVD (Deposição Química de Vapor Metal‑Orgânica).

Já no mês passado (5 de novembro de 2025), a Veeco anunciou um grande pedido para seu sistema Propel®300 MOCVD de um fabricante líder de semicondutores de potência. Esse pedido, especificamente para epitaxia de nitreto de gálio (GaN), valida a crescente demanda comercial por equipamentos de deposição precisos semelhantes aos necessários para produção em escala de grafeno.

A empresa está geograficamente diversificada, com a China representando apenas 28 % da receita total, embora o restante da região Ásia‑Pacífico represente metade da receita total, refletindo a importância da região na fabricação de componentes eletrônicos.

Essa tecnologia tem sido progressivamente usada em mais processos de fabricação, desde discos rígidos na década de 1990 até LEDs e semicondutores avançados hoje.

Source: Veeco

Como líder neste segmento de nicho da indústria de semicondutores, a Veeco pode ser um bom candidato para apostar no crescimento de mais aplicações CVD. E, como fabricante de equipamentos, a Veeco não depende de qual nicho de mercado ou tecnologia seja usada, contanto que o CVD esteja presente em alguma etapa do processo.

Isso levou a empresa a projetar um rápido crescimento de seu mercado total endereçável, impulsionado em grande parte por técnicas avançadas de laser de recozimento e deposição por feixe de íons.

Source: Veeco

Tal crescimento também pode derivar do uso crescente de grafeno, tungstênio e borofeno, à medida que avançamos na manipulação da matéria em nível atômico e aproveitamos materiais 2D para novas aplicações.

É provável que também se beneficie das grandes tendências de digitalização, IA e eletrificação, independentemente de usar massivamente materiais 2D em breve ou não.

Últimas Notícias e Desenvolvimentos das Ações da Veeco Instruments (VECO)

Estudo Referenciado

^{1. Klein, B. P., Stoodley, M. A., Deyerling, J., et al. (2025). Síntese em um passo de grafeno contendo defeitos topológicos. Chemical Science, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b}