Ingenjörskonstruerade grafendefekter öppnar ny teknisk potential

Hur ingenjörskonstruerade defekter förbättrar grafenprestanda

2D-material, som bildar ett enda atomlager, där grafen är det mest förstådda och mest studerade, tillsammans med borofen, goldene, och andra, uppvisar anmärkningsvärda egenskaper som skiljer sig kraftigt från samma atomer i en normal 3D-atomstruktur.

Till stor del beror detta på grafens delokaliserade π-elektroner, som kan röra sig fritt över dess 2D-gitter och ger exceptionella termiska, elektriska och mekaniska egenskaper.

Men den bästa prestandan observeras ofta när dessa material inte är perfekt homogena, utan innehåller extra föroreningar som skapar ytterligare unika kvant- och kemiska effekter.

“Vår studie utforskar ett nytt sätt att tillverka grafen. Detta supertunna, superstarka material är gjort av kolatomer, och medan perfekt grafen är anmärkningsvärt, är det ibland för perfekt.

Det interagerar svagt med andra material och saknar avgörande elektroniska egenskaper som krävs i halvledarindustrin.”

David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham

Forskare vid olika universitet i Storbritannien, Tyskland och Sverige (ett samarbete mellan mer än 12 olika universitet) har hittat ett sätt att införa en sådan ”defekt” i grafen i ett 1‑stegs‑förfarande, vilket öppnar vägen till radikalt förbättrade grafenmaterial.

De publicerade sina fynd i den vetenskapliga tidskriften Chemical Science¹, under titeln “One-step synthesis of graphene containing topological defects”.

Begränsningarna med grafen

Sedan dess upptäckt 2004 har grafen, som hyllas som ett mirakelmaterial, haft en långsam verklig adoption mer än två decennier senare.

Det beror på att grafen sällan interagerar med andra material på det sätt som forskare och tillverkare önskar.

Grafen byggs normalt av ett upprepande mönster av sex kolatomer arrangerade i en platt ring.

Källa: Journal Of Nanotechnology

Andra molekyler som sätts in i denna struktur kan göra att den interagerar bättre med andra material, men ofta försämrar de de egenskaper som gör grafen intressant från början.

Dessa metoder är också dåligt kontrollerade, vilket ger inkonsekventa resultat och ett icke‑homogent slutresultat.

Så tricket är att hitta hur man förbättrar grafens interaktioner samtidigt som man bevarar dess egenskaper.

Hitta rätt defekt

Genom beräkningar fastställde forskarna att den defekt som riktas in i denna forskning bör vara intilliggande 5‑ och 7‑atomringar, kända i fysiken som en Stone‑Wales‑defekt.

Azupyren, en organisk molekyl med en unik form, visade sig nästan perfekt matcha vad som behövdes för att förbättra grafen. Eftersom azupyren naturligt innehåller denna 5‑ och 7‑ring‑geometri fungerar den som en ”mall” under tillväxten snarare än slumpmässig skada.

Källa: Chemical Science

Grafen + azupyren odlades på en kopparsubstrat, med en metod som kallas kemisk ångdeposition (CVD), vanligt använd för att skapa grafen och halvledare.

Tillväxten genomfördes i en syrefri miljö med ultrahög vakuum (UHV), med så lågt som 10⁻¹⁰ mbar tryck.

Utvärdera modifierad grafenprestanda

Renheten hos kristallen bedömdes med röntgenfotoelektronspektroskopi (XPS), lågenergi‑elektrondiffraktion (LEED) och scanning tunnelling microscopy (STM).

Källa: Chemical Science

Det visade sig att vid mycket höga substrattemperaturer, så höga som 1000 K (726 °C / 1340 °F), bildar azupyren idealisk grafen som demonstrerar moiré‑superstrukturer.

Den mikroskopiska observationen visar 5‑/7‑medlemsringdefekter inbäddade i ett gitter av 6‑medlemsringar (grafen).

Källa: Chemical Science

Vid hög koncentration och med temperaturjustering finns 5‑ och 7‑medlemsringarna i öar, vilket demonstreras med icke‑kontakt‑atomkraftmikroskopi (nc‑AFM).

Alltså kan denna metod inte bara producera konsekventa resultat, utan den exakta koncentrationen av azupyren som integreras i grafen kan finjusteras med olika temperaturer under CVD‑processen.

Källa: Chemical Science

Tillämpningar

Svep för att rulla →

Detta är ett av de första tillfällena där grafen‑”defekter” införs inte bara med den perfekta typen av molekyl för det, utan också på ett helt kontrollerbart sätt.

“Genom att noggrant välja startmolekylen och tillväxtförhållandena har vi visat att det är möjligt att odla grafen där imperfektioner kan införas på ett mer kontrollerat sätt. Vi karakteriserar signaturerna för dessa imperfekter genom att kombinera atomskalavbildning, spektroskopi och beräkningssimulering.”

Professor Reinhard Maurer – University of Warwick

Denna modifierade grafen kan bindas till andra material mycket lättare, vilket öppnar ett helt nytt tillämpningsområde för denna nya typ av grafen.

Vi fann att defekterna kan göra grafen mer ”klibbig” till andra material, vilket gör den mer användbar som katalysator, samt förbättrar dess förmåga att upptäcka olika gaser för sensortillämpningar.

Defekterna kan också förändra grafens elektroniska och magnetiska egenskaper, med potentiella tillämpningar i halvledarindustrin.”

David Duncan – Associate Professor from the University of Nottingham

Vi har tidigare rapporterat hur grafen alltmer används för spintronik, vätebränsleceller, 6G‑THz‑antenner, och batteriers termiska hantering, bland många andra exempel.

CVD‑teknik och Veecos roll i avancerade material

Veeco Instruments Inc.

Veeco har varit en stor leverantör av utrustning till halvledartillverkningsindustrin sedan grundandet 1945. Dess maskiner används för att producera avancerad EUV‑chipframställning, 5G‑antenner, hårddiskar, LIDAR, LED‑lampor, kraft‑elektronik för elbilar med mera.

Källa: Veeco

Företagets huvudteknologiska fokus är samma CVD‑process som används för produktion av borofen, eller mer exakt, MOCVD (Metal‑Organic Chemical Vapour Deposition).

Precis förra månaden (5 november 2025) annonserade Veeco en stor order för sitt Propel®300‑MOCVD‑system från en ledande tillverkare av kraft‑halvledare. Denna order, specifikt för gallium‑nitrid (GaN)‑epitaxi, bekräftar den växande kommersiella efterfrågan på precisionsdepositionsutrustning som skulle krävas för storskalig grafenproduktion.

Företaget är geografiskt diversifierat, där Kina endast står för 28 % av de totala intäkterna, medan resten av Asien‑Stillahavsområdet står för hälften av intäkterna, vilket speglar regionens betydelse för tillverkning av elektroniska komponenter.

Denna teknik har successivt använts för fler och fler tillverkningsprocesser, från hårddiskar på 1990‑talet till LED‑lampor och avancerade halvledare idag.

Källa: Veeco

Som ledare i detta nischsegment av halvledarindustrin kan Veeco vara en bra kandidat att satsa på ökningen av fler CVD‑tillämpningar. Och som utrustningstillverkare är Veeco inte beroende av vilken nischmarknad eller teknik som används, så länge CVD används i någon del av processen.

Detta har lett företaget att projicera en snabb tillväxt av sin totala adresserbara marknad, drivet i stor del av avancerade laser‑anneal‑ och jon‑stråle‑depositionsmetoder.

Källa: Veeco

Sådan tillväxt kan också härröra från den ökande användningen av grafen, volfram och borofen, i takt med att vi blir bättre på att manipulera materia på atomnivå och utnyttja 2D‑material för nya tillämpningar.

Det kommer sannolikt också att gynnas av de massiva trenderna inom digitalisering, AI och elektrifiering, oavsett om 2D‑material används i stor skala snart eller inte.

Senaste Veeco Instruments (VECO) aktienyheter och utveckling

Refererad studie

^{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}