Спроектовані дефекти графену відкривають новий технологічний потенціал

Як штучні дефекти покращують продуктивність графену

2D-матеріали, що утворюють один шар атомів, серед яких графен є найбільш вивченим та широко досліджуваним, поруч борофен, золотий, та інші, демонструють чудові властивості, які сильно відрізняються від тих самих атомів у звичайній тривимірній атомній структурі.

Значною мірою це пов'язано з делокалізованими π-електронами графену, які можуть вільно рухатися по його двовимірній решітці, надаючи йому виняткових теплових, електричних та механічних властивостей.

Але найкраща продуктивність часто спостерігається, коли ці матеріали не є ідеально однорідними, а містять додаткові домішки, які створюють додаткові унікальні квантові та хімічні ефекти.

«Наше дослідження досліджує новий спосіб виготовлення графену. Цей надтонкий, надміцний матеріал складається з атомів вуглецю, і хоча ідеальний графен є дивовижним, іноді він буває занадто ідеальним».

Він слабо взаємодіє з іншими матеріалами та не має важливих електронних властивостей, необхідних у напівпровідниковій промисловості.

Девід Дункан - Доцент Ноттінгемського університету

Дослідники з різних університетів Великої Британії, Німеччини та Швеції (співпраця понад 12 різних університетів) знайшли спосіб ввести такий «дефект» у графен за допомогою одностадійної процедури, відкривши шлях до радикально покращених графенових матеріалів.

Вони опублікували свої висновки в науковому журналі Chemical Science¹, під назвою «Одностадійний синтез графену, що містить топологічні дефекти".

Обмеження графену

Графен, який з моменту його відкриття у 2004 році рекламували як чудодійний матеріал, протягом понад двох десятиліть він повільно впроваджувався в реальний світ.

Це пояснюється тим, що графен рідко взаємодіє з іншими матеріалами так, як хотіли б дослідники та виробники.

Графен зазвичай складається з повторюваного візерунка з шести атомів вуглецю, розташованих у плоскому кільці.

джерело: Журнал нанотехнологій

Інші молекули, вставлені в цю структуру, можуть покращити її взаємодію з іншими матеріалами, але часто погіршують властивості, які роблять графен цікавим.

Ці методи також погано контролюються, що призводить до суперечливих результатів та неоднорідного кінцевого результату.

Отже, сенс полягає в тому, щоб знайти спосіб покращити взаємодію графену, зберігаючи при цьому його властивості.

Пошук правильного дефекту

За допомогою обчислень дослідники визначили, що дефектом, на який спрямоване це дослідження, мають бути сусідні кільця з 5 та 7 атомів, відомі у фізиці як Дефект Стоун-Уельса.

Азупірен, органічна молекула з унікальною формою, виявилася майже ідеально відповідною вимогам для покращення графену. Оскільки азупірен природно містить цю 5- та 7-кільцеву геометрію, він діє як «шаблон» під час росту, а не як випадкове пошкодження.

джерело: Хімічна наука

Графен + азупірен вирощували на мідній підкладці за допомогою методу, який називається хімічним осадженням з парової фази (CVD), що зазвичай використовується для створення графену та напівпровідників.

Вирощування проводилося в безкисневому середовищі з надвисокою вакуумною дією (UHV), при температурі до 10...^-10 мбар тиску.

Оцінка продуктивності модифікованого графену

Чистоту кристала оцінювали за допомогою рентгенівської фотоелектронної спектроскопії (РФЕС), дифракції низькоенергетичних електронів (ДНЕ) та скануючої тунельної мікроскопії (СТМ).

джерело: Хімічна наука

Виявилося, що за високої температури підкладки, аж до 1000 K (726°C / 1340°F), азупірен утворює ідеальний графен, який демонструє муарові надструктури.

Мікроскопічне спостереження показує 5-/7-членні кільцеві дефекти, вбудовані в решітку 6-членних кілець (графен).

джерело: Хімічна наука

При високій концентрації та регулюванні температури 5- та 7-членні кільця присутні в острівцях, що продемонстровано за допомогою безконтактної атомно-силової мікроскопії (nc-АСМ).

Отже, цей метод не тільки може давати стабільні результати, але й точну концентрацію азупірену, інтегрованого в графен, можна точно налаштувати за допомогою різних температур під час процесу CVD.

джерело: Хімічна наука

додатків

Проведіть пальцем, щоб прокрутити →

Це один з перших випадків, коли «дефекти» графену вводяться не лише з ідеальним типом молекули для цього, але й ідеально контрольованим способом.

«Ретельно вибравши вихідну молекулу та умови росту, ми показали, що можна вирощувати графен, у який недосконалості можна вводити більш контрольованим способом. Ми характеризуємо сигнатури цих недосконалостей, поєднуючи візуалізацію атомного масштабу, спектроскопію та обчислювальне моделювання».

Професор Рейнхард Маурер - Університет Уорвіка

Цей модифікований графен можна набагато легше зв'язати з іншими матеріалами, що відкриває абсолютно нову сферу застосування для цього нового типу графену.

Ми виявили, що дефекти можуть зробити графен більш «липким» до інших матеріалів, що робить його більш корисним як каталізатор, а також покращує його здатність виявляти різні гази для використання в сенсорах.

Дефекти також можуть змінювати електронні та магнітні властивості графену, що може призвести до його потенційного застосування в напівпровідниковій промисловості.

Девід Дункан - Доцент Ноттінгемського університету

Раніше ми повідомляли про те, як графен все частіше використовується для спінтроніка, водневі паливні елементи, 6G ТГц антени та управління температурою акумулятора, серед багатьох інших прикладів.

Технологія CVD та роль Veeco у передових матеріалах

Veeco Instruments Inc.

Veeco є основним постачальником обладнання для виробництва напівпровідників з моменту свого заснування в 1945 році. Її машини використовуються для виробництва передових мікросхем EUV, антен 5G, жорстких дисків, LIDAR, світлодіодів, силової електроніки для електромобілів тощо.

джерело: Veeco

Основним технологічним напрямком компанії є той самий процес CVD, що використовується для виробництва борофену, або, точніше, MOCVD (металоорганічне хімічне осадження з парової фази).

Лише минулого місяця (5 листопада 2025 року), Veeco оголошений велике замовлення на систему MOCVD Propel®300 від провідного виробника силових напівпровідників. Це замовлення, зокрема на епітаксію з нітриду галію (GaN), підтверджує зростаючий комерційний попит на прецизійне обладнання для осадження, подібне до того, яке було б необхідне для масштабного виробництва графену.

Компанія географічно диверсифікована, при цьому Китай становить лише 28% від загального доходу, хоча решта Азіатсько-Тихоокеанського регіону становить половину від загального доходу, що відображає важливість регіону у виробництві електронних компонентів.

Ця технологія поступово використовується для дедалі більшої кількості виробничих процесів, від жорстких дисків у 1990-х роках до світлодіодів та передових напівпровідників сьогодні.

джерело: Veeco

Як лідер у цьому нішевому сегменті напівпровідникової промисловості, Veeco може бути гарним кандидатом для ставки на зростання кількості застосувань CVD. І як виробник обладнання, Veeco не залежить від нішевого ринку чи технології, що використовується, якщо вона якимось чином використовує CVD на одному з етапів свого процесу.

Це спонукало компанію прогнозувати швидке зростання свого загального ринку збуту, значною мірою завдяки передовим методам лазерного відпалу та іонно-променевого напилення.

Джерело: Veeco

Таке зростання також може бути пов'язане зі зростаючим використанням графену, вольфраму та борофену, оскільки ми поступово вдосконалюємо маніпулювання речовиною на атомному рівні та використовуємо 2D-матеріали для нових застосувань.

Він також, ймовірно, виграє від масових тенденцій цифровізації, штучного інтелекту та електрифікації, незалежно від того, чи скоро він масово використовує 2D-матеріали чи ні.

Останні новини та події щодо акцій Veeco Instruments (VECO)

Посилання на дослідження

^{1. Кляйн Б.П., Стодлі М.А., Деєрлінг Дж. та ін. (2025). Одностадійний синтез графену, що містить топологічні дефектиХімічна наука, 16, 19403–19413. https://doi.org/10.1039/d5sc03699b}