Cacat Graphene yang Direkayasa Membuka Potensi Teknologi Baru

Bagaimana Cacat yang Direkayasa Meningkatkan Kinerja Grafena

Material 2D, yang membentuk lapisan atom tunggal, di mana graphene adalah yang paling dipahami dan umum dipelajari., bersama borofen, emas, dan lainnya, menampilkan sifat-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 grafena, yang dapat bergerak bebas di seluruh kisi 2D-nya, sehingga memberikan sifat termal, listrik, dan mekanik yang luar biasa.

Namun, kinerja terbaik sering kali diamati ketika material-material ini tidak sepenuhnya homogen, melainkan mengandung pengotor tambahan yang menciptakan efek kuantum dan kimia unik lainnya.

“Studi kami mengeksplorasi cara baru untuk membuat grafena. Material super tipis dan super kuat ini terbuat dari atom karbon, dan meskipun grafena yang sempurna sangat luar biasa, terkadang ia terlalu sempurna."

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

David Duncan - Profesor Madya dari Universitas Nottingham

Para peneliti di berbagai universitas di Inggris, Jerman, dan Swedia (kolaborasi antara lebih dari 12 universitas berbeda) telah menemukan cara untuk memasukkan "cacat" semacam itu ke dalam graphene dalam prosedur 1 langkah, membuka jalan menuju peningkatan material graphene yang radikal.

Mereka mempublikasikan temuan mereka di jurnal ilmiah Chemical Science.¹, dengan judul “Sintesis satu langkah grafena yang mengandung cacat topologi".

Keterbatasan Grafena

Disebut-sebut sebagai material ajaib sejak penemuannya pada tahun 2004, graphene mengalami keterlambatan dalam penerapannya di dunia nyata selama lebih dari dua dekade.

Hal ini karena graphene jarang berinteraksi dengan material lain seperti yang diinginkan oleh para peneliti dan produsen.

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

Sumber: Jurnal Nanoteknologi

Molekul lain yang dimasukkan ke dalam struktur ini dapat membuatnya berinteraksi lebih baik dengan material lain, tetapi seringkali menurunkan sifat-sifat yang membuat graphene menarik sejak awal.

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

Jadi, kuncinya adalah menemukan cara untuk meningkatkan interaksi graphene sambil tetap mempertahankan sifat-sifatnya.

Menemukan Cacat yang Tepat

Dengan menggunakan perhitungan, para peneliti menentukan bahwa cacat yang ditargetkan dalam penelitian ini seharusnya berada di dekat cincin 5 dan 7 atom, yang dalam fisika dikenal sebagai Cacat Stone-Wales.

Azupyrene, sebuah molekul organik dengan bentuk unik, ditemukan hampir sempurna sesuai dengan apa yang dibutuhkan untuk meningkatkan kualitas graphene. Karena azupyrene secara alami mengandung geometri cincin 5 dan 7 ini, ia bertindak sebagai "cetakan" selama pertumbuhan, bukan sebagai kerusakan acak.

Sumber: Ilmu Kimia

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

Pertumbuhan dilakukan dalam lingkungan bebas oksigen dengan vakum ultra-tinggi (UHV), dengan tekanan serendah 10^-10 tekanan mbar.

Menilai Kinerja Grafena yang Dimodifikasi

Kebersihan kristal dinilai dengan spektroskopi fotoelektron sinar-X (XPS), difraksi elektron energi rendah (LEED), dan mikroskopi terowongan pemindaian (STM).

Sumber: Ilmu Kimia

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

Pengamatan mikroskopis menunjukkan cacat cincin beranggota 5/7 yang tertanam dalam kisi cincin beranggota 6 (grafena).

Sumber: Ilmu Kimia

Pada konsentrasi tinggi dan dengan penyesuaian suhu, cincin beranggota 5 dan 7 hadir dalam bentuk pulau-pulau, seperti yang ditunjukkan dengan mikroskop gaya atom non-kontak (nc-AFM).

Jadi, metode ini tidak hanya dapat menghasilkan hasil yang konsisten, tetapi konsentrasi azupyrene yang terintegrasi ke dalam graphene juga dapat disesuaikan dengan menggunakan suhu yang berbeda selama proses CVD.

Sumber: Ilmu Kimia

Aplikasi

Geser untuk menggulir →

Ini adalah salah satu kali pertama "cacat" graphene diperkenalkan tidak hanya dengan jenis molekul yang sempurna, tetapi juga dengan cara yang sepenuhnya terkontrol.

“Dengan memilih molekul awal dan kondisi pertumbuhan secara cermat, kami telah menunjukkan bahwa dimungkinkan untuk menumbuhkan grafena di mana ketidaksempurnaan dapat diperkenalkan dengan cara yang lebih terkontrol. Kami mengkarakterisasi ciri-ciri ketidaksempurnaan ini dengan menggabungkan pencitraan skala atom, spektroskopi, dan simulasi komputasi.”

Profesor Reinhard Maurer - University of Warwick

Grafena yang dimodifikasi ini dapat diikat ke material lain dengan jauh lebih mudah, membuka ruang aplikasi baru untuk jenis grafena baru ini.

Kami menemukan bahwa cacat tersebut dapat membuat graphene lebih "lengket" dengan material lain, sehingga lebih bermanfaat sebagai katalis, serta meningkatkan kemampuannya dalam mendeteksi berbagai gas untuk digunakan dalam sensor.

Cacat tersebut juga dapat mengubah sifat elektronik dan magnetik graphene, untuk potensi aplikasi di industri semikonduktor.”

David Duncan - Profesor Madya dari Universitas Nottingham

Sebelumnya kami telah melaporkan bagaimana graphene semakin banyak digunakan untuk spintronik, sel bahan bakar hidrogen, Antena 6G THz, dan manajemen termal baterai, di antara banyak contoh lainnya.

Teknologi CVD dan Peran Veeco dalam Material Canggih

Veeco Instrumen Inc.

Veeco telah menjadi pemasok utama peralatan untuk industri manufaktur semikonduktor sejak didirikan pada tahun 1945. Mesinnya digunakan dalam produksi pembuatan chip EUV yang canggih, antena 5G, hard drive, LIDAR, LED, elektronika daya untuk EV, dll.

Sumber: veeco

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

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

Perusahaan ini terdiversifikasi secara geografis, dengan Tiongkok hanya menyumbang 28% dari total pendapatan, meskipun wilayah Asia-Pasifik lainnya menyumbang setengah dari total pendapatan, yang mencerminkan pentingnya wilayah tersebut dalam manufaktur komponen elektronik.

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

Sumber: veeco

Sebagai pemimpin di segmen khusus industri semikonduktor ini, Veeco bisa menjadi kandidat yang baik untuk bertaruh pada peningkatan aplikasi CVD. Dan sebagai produsen peralatan, Veeco tidak bergantung pada pasar khusus atau teknologi apa yang digunakan, selama menggunakan CVD di salah satu langkah prosesnya.

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

Sumber: Veeco

Pertumbuhan tersebut juga bisa jadi berasal dari meningkatnya penggunaan graphene, tungsten, dan borophene, seiring dengan semakin mahirnya kita dalam memanipulasi materi pada tingkat atom dan memanfaatkan material 2D untuk aplikasi baru.

Perusahaan juga kemungkinan akan mendapat manfaat dari tren digitalisasi, AI, dan elektrifikasi yang masif, baik dalam waktu dekat akan menggunakan materi 2D secara besar-besaran atau tidak.

Berita dan Perkembangan Terbaru Saham Veeco Instruments (VECO)

Studi Referensi

^{1. Klein, BP, Stoodley, MA, Deyerling, J., dkk. (2025). Sintesis satu langkah grafena yang mengandung cacat topologi. Ilmu Kimia, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b}