פגמי גרפן מהונדסים פותחים פוטנציאל טכנולוגי חדש

כיצד פגמים מהונדסים משפרים את ביצועי הגרפן

חומרים דו-ממדיים, היוצרים שכבה אחת של אטומים, שגרפן הוא המובן והנחקר ביותר מביניהםלצד בורופן, גולדן, ואחרים, מציגים תכונות יוצאות דופן השונות מאוד מאותם אטומים במבנה אטומי תלת-ממדי רגיל.

במידה רבה, זה נובע מאלקטרוני ה-π הדלוקליים של הגרפן, שיכולים לנוע בחופשיות על פני הסריג הדו-ממדי שלו, מה שמעניק לו תכונות תרמיות, חשמליות ומכניות יוצאות דופן.

אבל הביצועים הטובים ביותר נצפים לעתים קרובות כאשר חומרים אלה אינם הומוגניים לחלוטין, אלא מכילים זיהומים נוספים היוצרים אפקטים קוונטיים וכימיים ייחודיים נוספים.

"המחקר שלנו בוחן דרך חדשה לייצר גרפן. חומר דק במיוחד וחזק במיוחד זה עשוי מאטומי פחמן, ובעוד שגרפן מושלם הוא יוצא דופן, הוא לפעמים מושלם מדי."

הוא מקיים אינטראקציה חלשה עם חומרים אחרים וחסר לו תכונות אלקטרוניות חיוניות הנדרשות בתעשיית המוליכים למחצה."

דייוויד דאנקן - פרופסור חבר מאוניברסיטת נוטינגהאם

חוקרים באוניברסיטאות שונות בבריטניה, גרמניה ושוודיה (שיתוף פעולה בין יותר מ-12 אוניברסיטאות שונות) מצאו דרך להכניס "פגם" כזה לגרפן בהליך בן שלב אחד, ובכך פתחו את הדרך לחומרי גרפן משופרים באופן רדיקלי.

הם פרסמו את ממצאיהם בכתב העת המדעי Chemical Science¹, תחת הכותרת "סינתזה חד-שלבית של גרפן המכיל פגמים טופולוגיים".

המגבלות של גרפן

גרפן, שמוכר כחומר פלא מאז גילויו בשנת 2004, אימוץ הטכנולוגיה בעולם האמיתי איטי במשך יותר משני עשורים.

הסיבה לכך היא שגרפן כמעט ולא מקיים אינטראקציה עם חומרים אחרים כפי שחוקרים ויצרנים היו רוצים.

גרפן בנוי בדרך כלל מתבנית חוזרת של שישה אטומי פחמן המסודרים בטבעת שטוחה.

מקור: כתב העת לננוטכנולוגיה

מולקולות אחרות המוכנסות למבנה זה יכולות לגרום לו לתקשר טוב יותר עם חומרים אחרים, אך לעיתים קרובות פוגעות בתכונות שהופכות את הגרפן למעניין מלכתחילה.

שיטות אלו גם מבוקרות בצורה גרועה, מה שמביא לתוצאות לא עקביות ולתוצאה סופית לא הומוגנית.

אז הטריק הוא למצוא כיצד לשפר את האינטראקציות של גרפן תוך שמירה על תכונותיו.

מציאת הפגם הנכון

באמצעות חישוב, החוקרים קבעו כי הפגם הממוקד במחקר זה צריך להיות טבעות שכנות של 5 ו-7 אטומים, המכונות בפיזיקה כ- פגם סטון-וויילס.

אזופירין, מולקולה אורגנית בעלת צורה ייחודית, נמצאה כמתאימה כמעט בצורה מושלמת לשיפור הגרפן. מכיוון שאזופירין מכיל באופן טבעי גיאומטריה של 5 ו-7 טבעות, הוא משמש כ"תבנית" במהלך הצמיחה ולא כנזק אקראי.

מקור: מדע כימי

הגרפן + האזופירין גודלו על מצע נחושת, באמצעות שיטה הנקראת שקיעת אדים כימית (CVD), המשמשת בדרך כלל ליצירת גרפן ומוליכים למחצה.

הגידול בוצע בסביבה נטולת חמצן עם ואקום גבוה במיוחד (UHV), עם טמפרטורה נמוכה עד 10^-10 מיליבר של לחץ.

הערכת ביצועי גרפן שעבר שינוי

ניקיון הגביש הוערך באמצעות ספקטרוסקופיית פוטואלקטרונים של קרני רנטגן (XPS), דיפרקציית אלקטרונים באנרגיה נמוכה (LEED) ומיקרוסקופיית מנהור סורק (STM).

מקור: מדע כימי

נראה כי בטמפרטורות מצע גבוהות מאוד, עד כדי 1000 קלווין (726°C / 1340°F), אזופירין יוצר גרפן אידיאלי המפגין מבני-על דמויי מואר.

התצפית המיקרוסקופית מראה פגמים בטבעת בעלת 5/7 איברים המשובצים בסריג של טבעות בעלות 6 איברים (גרפן).

מקור: מדע כימי

בריכוז גבוה ועם התאמת טמפרטורה, הטבעות בעלות 5 ו-7 חברים קיימות באיים, כפי שהודגם במיקרוסקופ כוח אטומי ללא מגע (nc-AFM).

אז לא רק ששיטה זו יכולה לייצר תוצאות עקביות, אלא שניתן לכוונן את הריכוז המדויק של אזופירין המשולב בגרפן באמצעות טמפרטורות שונות במהלך תהליך ה-CVD.

מקור: מדע כימי

יישומים

החלק כדי לגלול →

זוהי אחת הפעמים הראשונות ש"פגמים" בגרפן מוצגים לא רק עם סוג המולקולה המושלם עבורם, אלא גם בצורה ניתנת לשליטה מושלמת.

"על ידי בחירה קפדנית של מולקולת ההתחלה ותנאי הגידול, הראינו שאפשר לגדל גרפן שבו ניתן להכניס פגמים בצורה מבוקרת יותר. אנו מאפיינים את החתימות של פגמים אלה על ידי שילוב של הדמיה בקנה מידה אטומי, ספקטרוסקופיה וסימולציה חישובית."

פרופסור ריינהרד מאורר - אוניברסיטת וורוויק

ניתן לקשור גרפן שעבר שינוי זה לחומרים אחרים הרבה יותר בקלות, מה שפותח מרחב יישום חדש לגמרי עבור סוג חדש זה של גרפן.

מצאנו שהפגמים יכולים להפוך את הגרפן ל"דביק" יותר לחומרים אחרים, מה שהופך אותו לשימושי יותר כזרז, וכן לשפר את יכולתו לזהות גזים שונים לשימוש בחיישנים.

הפגמים יכולים גם לשנות את התכונות האלקטרוניות והמגנטיות של הגרפן, עבור יישומים פוטנציאליים בתעשיית המוליכים למחצה.

דייוויד דאנקן - פרופסור חבר מאוניברסיטת נוטינגהאם

דיווחנו בעבר כיצד גרפן נמצא בשימוש הולך וגובר עבור ספינטרוניקה, תאי דלק מימן, אנטנות 6G THz, ו ניהול תרמי של הסוללה, בין דוגמאות רבות אחרות.

טכנולוגיית CVD ותפקידה של Veeco בחומרים מתקדמים

Veeco Instruments Inc.

Veeco הייתה ספקית עיקרית של ציוד לתעשיית ייצור המוליכים למחצה מאז הקמתה בשנת 1945. המכונות שלה משמשות לייצור שבבי EUV מתקדמים, אנטנות 5G, כוננים קשיחים, LIDAR, LEDs, אלקטרוניקה כוח עבור EVs וכו'.

מקור: Veeco

המוקד הטכנולוגי העיקרי של החברה הוא אותו תהליך CVD המשמש לייצור בורופן, או ליתר דיוק, MOCVD (שקיעת אדים כימית אורגנית-מתכתית).

רק בחודש שעבר (5 בנובמבר 2025), Veeco הודיע הזמנה גדולה עבור מערכת Propel®300 MOCVD מיצרנית מובילה של מוליכים למחצה להספק. הזמנה זו, במיוחד עבור אפיטקסיה של גליום ניטריד (GaN), מאשרת את הדרישה המסחרית הגוברת לציוד שיקוע מדויק בדומה למה שיידרש לייצור גרפן בקנה מידה גדול.

לחברה יש מגוונת גיאוגרפית, כאשר סין מהווה רק 28% מסך ההכנסות, אם כי שאר אזור אסיה-פסיפיק מהווה מחצית מסך ההכנסות, דבר המשקף את חשיבות האזור בייצור רכיבים אלקטרוניים.

טכנולוגיה זו משמשת בהדרגה עבור יותר ויותר תהליכי ייצור, החל מדיסקים קשיחים בשנות ה-1990 ועד לנורות LED ומוליכים למחצה מתקדמים כיום.

מקור: Veeco

כחברה מובילה בנישה זו של תעשיית המוליכים למחצה, Veeco יכולה להיות מועמדת טובה להמר על עלייתם של יישומי CVD נוספים. וכיצרדנית ציוד, Veeco אינה תלויה בשוק הנישה או בטכנולוגיה שבה משתמשים, כל עוד היא משתמשת ב-CVD בצורה כלשהי בשלב מסוים בתהליך שלה.

דבר זה הוביל את החברה לחזות צמיחה מהירה של השוק הכולל הניתן לשיווק, המונעת במידה רבה הודות לטכניקות מתקדמות של חישול לייזר וטכניקות שקיעת אלומת יונים.

מקור: Veeco

צמיחה כזו יכולה לנבוע גם מהשימוש הגובר בגרפן, טונגסטן ובורופן, ככל שאנו משתפרים בהדרגה במניפולציה של חומר ברמה האטומית וממנפים חומרים דו-ממדיים ליישומים חדשים.

סביר להניח שהוא גם ירוויח מהמגמות האדירות של דיגיטליזציה, בינה מלאכותית וחשמול, בין אם הוא יעשה שימוש מסיבי בחומרים דו-ממדיים בקרוב או לא.

חדשות והתפתחויות אחרונות במניות Veeco Instruments (VECO)

מחקר שאליו התייחס

^{1. קליין, BP, Stoodley, MA, Deyerling, J., et al. (2025). סינתזה חד-שלבית של גרפן המכיל פגמים טופולוגייםמדע כימי, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b}