الماس و گرافیت دو آلوتروپ طبیعی کربن هستند که هزاران سال است آنها را می‌شناسیم. اتم‌های کربن در این دو ترکیب به ترتیب با هیبریداسیون sp3 و sp2 آرایش یافته‌اند. اخیراً، کشف دیگر آلوتروپ‌های کربن مانند گرافن، فولرن، نانولوله‌ی کربنی، گرافین و گرافدین، انقلابی در علم نانومواد مدرن ایجاد کرده است. به‌ویژه، تحقیقات در مورد گرافن به‌دلیل خواص شگفت‌انگیز آن، پیشرفت‌های چشم‌گیری در شیمی و فیزیک مدرن داشته است.
گرافن به دلیل خواص استثنایی تحرک الکترونی، به‌عنوان یک ماده‌ی شگفت‌انگیز که می‌تواند صنعت نیمه‌رساناها را متحول کند، مورد توجه قرار گرفته است. با وجود این هیاهو، به نظر می‌رسد تمدن ما هنوز از زمان گذر از عصر سیلیکون به عصر گرافن فاصله دارد. چالش اصلی برای استفاده از گرافن در صنعت الکترونیک، باندگپ صفر آن است که خاموش کردن ترانزیستورهای برپایه‌ی گرافن را غیرممکن می‌سازد، و همین امر کاربرد آنها را در صنعت نیمه‌رسانا محدود می‌کند. با اینکه غلبه بر این مشکل با دوپ‌کردن یا عامل‌دار کردن گرافن امکان‌پذیر است، اما تمایل زیادی نیز برای جستجوی انواع جدیدی از آلوتروپ‌های دوبعدی کربن با خواص ویژه‌ی نیمه‌رسانا، مانند انرژی باندگپ مناسب و تحرک الکترونی بالا، وجود دارد.
محققان اخیراً کشف کرده‌اند که با ایجاد حفره‌های فراوان در ساختار گرافن یا گرافن اکسید، می‌توان خواص مناسب یک نیمه‌رسانا را به آنها اعطا کرد. این نوع جدید از ماده “گرافن حفره‌دار” نامیده می‌شود. گرافن حفره‌دار در مقایسه با گرافن، γ-گرافین یا گرافدین، نه تنها دارای خواص نیمه‌رسانایی دوبعدی ایده‌آل است، بلکه دارای پیوند غیرخطی sp و یک ساختار ویژه‌ی مزدوج π است که کاربردهای امیدوارکننده‌ای را در اپتوالکترونیک، استخراج انرژی، جداسازی گاز، کاتالیست، تصفیه‌ی آب، حسگرها و زمینه‌های مرتبط با انرژی، به آن می‌بخشد.
تاکنون، گرافن حفره‌دار در آزمایشگاه‌ها با سنتز اولیه‌ی گرافن و سپس انجام عملیات فیزیکی، شیمیایی یا هیدروترمال بر روی آن برای ایجاد سوراخ‌های زیاد در ساختارش تولید شده است. با این‌حال، این دیدگاه بالا به پایین برای تولید، محدودیت‌های خود را دارد زیرا اندازه و توزیع «حفره‌ها»، ناهموار و کنترل آن دشوار است.
محققین مرکز فیزیک نانوساختار یکپارچه (CINAP) در مؤسسه‌ی علوم پایه، کره جنوبی، به رهبری لی هیویونگ، یک دیدگاه پایین به بالا را برای تولید چنین موادی توسعه دادند. برای اولین بار، این گروه روشی را برای ساخت اتم به اتم مواد کربنی دوبعدی ابداع کردند.
این گروه تحقیقاتی، ماده‌ی دوبعدیِ تک‌کریستالیِ جدید را “گرافین حفره‌دار” (HGY) نامیدند. ماده‌ی HGY شامل اتصال متناوب حلقه‌های بنزن و پیوندهای C≡C، متشکل از الگویی از حلقه‌های شش‌رأسی و هشت‌رأسیِ تحت فشار و درصد برابری از اتم‌های کربن با هیبریداسیون sp2 و sp، است.
لی گفت: “ما از یک مولکول جذاب به نام دی‌بنزوسیکلواکتادین، الهام گرفتیم که اولین‌بار توسط سانهایمر و همکارانش در سال 1974 سنتز شد. در ترکیب دی‌بنزوسیکلواکتادین، دو حلقه‌ی آروماتیک بنزن توسط دو پیوند استیلنی خمیده به‌هم متصل شده و یک حلقه‌ی هشت عضویِ تحت فشار حاصل می‌شود. این مولکول هیجان‌انگیز ما را برای طراحی و سنتز آلوتروپ جدید کربن، نسخه‌ای از ماده، به‌نام “گرافین حفره‌دار” الهام داد.
این گروه تحقیقاتی، ماده‌ی تک‌کریستالی فوق‌نازکHGY را با استفاده از 1،3،5-تری‌برومو-2،4،6-تری‌اتینیل‌بنزن به‌عنوان ماده‌ی پایه، با موفقیت تولید کردند. سپس لایه‌ی تک‌اتمی نازک HGY، بین سطح مشترک سیستم دوحلالی متشکل از آب و دی‌کلرومتان سنتز شد. ترکیب جدید HGY، یک باندگپ مستقیم حدود eV 1/1 و تحرک حاملِ محاسبه‌شده‌ی بسیار خوبی را نشان داد، که آن‌را به یک ماده‌ی نیمه‌رسانای مناسب تبدیل می‌کند.
این کشف جدید نه تنها اولین سنتز HGY تک‌کریستالیِ فوق‌نازک را نشان می‌دهد، بلکه مفهوم نوینی را برای طراحی و سنتز چنین نوع جدیدی از آلوتروپ دوبعدی کربن معرفی می‌کند. امید است که کاربرد آینده‌ی HGY در صنعت نیمه‌رساناها، راه را برای نسل جدیدی از مواد الکترونیک در آن‌سوی عصر سیلیکون باز کند.