Grafen, dwuwymiarowa postać krystalicznego węgla, albo pojedyncza warstwa atomów węgla tworząca siatkę o strukturze plastra miodu (heksagonalna), albo kilka połączonych warstw tej struktury komórkowej podobnej do plastra pszczelego. Słowo grafen, gdy jest używane bez określania formy (np. Grafen dwuwarstwowy, grafen wielowarstwowy), zwykle odnosi się do grafenu jednowarstwowego. Grafen jest rodzicielską formą wszystkich grafitowych struktur węgla: grafitu, który jest trójwymiarowym kryształem składającym się ze stosunkowo słabo sprzężonych warstw grafenu; nanorurki, które mogą być reprezentowane jako zwoje grafenu; i kulki, sferyczne cząsteczki wykonane z grafenu z niektórymi sześciokątnymi pierścieniami zastąpionymi pięciokątnymi pierścieniami.
Pierwsze badania grafenu
Teoretyczne badanie grafenu rozpoczęło w 1947 r. Fizyk Philip R. Wallace jako pierwszy krok do zrozumienia struktury elektronicznej grafitu. Termin grafen został wprowadzony przez chemików Hannsa-Petera Boehm, Ralpha Settona i Eberharda Stumppa w 1986 roku jako kombinacja słowa grafit, odnoszącego się do węgla w uporządkowanej postaci krystalicznej, oraz przyrostka -ene, odnoszącego się do wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych, w których atomy węgla tworzą sześciokątne lub sześciokątne struktury pierścieniowe.
W 2004 roku fizycy z Uniwersytetu w Manchesterze Konstantin Novoselov i Andre Geim wraz z kolegami wyizolowali grafen jednowarstwowy przy użyciu niezwykle prostej metody eksfoliacji z grafitu. W ich „metodzie taśmy klejącej” zastosowano taśmę klejącą do usunięcia górnych warstw z próbki grafitu, a następnie nałożenia warstw na materiał podłoża. Po usunięciu taśmy część grafenu pozostała na podłożu w postaci jednowarstwowej. W rzeczywistości samo wyprowadzenie grafenu nie jest trudnym zadaniem; za każdym razem, gdy ktoś rysuje ołówkiem na papierze, ślad ołówka zawiera niewielką część grafenu jednowarstwowego i wielowarstwowego. Osiągnięciem grupy Manchester była nie tylko izolacja płatków grafenu, ale także badanie ich właściwości fizycznych. W szczególności wykazali, że elektrony w grafenie mają bardzo wysoką ruchliwość, co oznacza, że grafen może być prawdopodobnie wykorzystywany w zastosowaniach elektronicznych. W 2010 roku Geim i Nowosełow otrzymali Nagrodę Nobla w dziedzinie fizyki za swoją pracę.
W tych pierwszych eksperymentach substratem dla grafenu był krzem naturalnie pokryty cienką przezroczystą warstwą dwutlenku krzemu. Okazało się, że jednowarstwowy grafen stworzył kontrast optyczny z dwutlenkiem krzemu, który był wystarczająco silny, aby grafen był widoczny pod standardowym mikroskopem optycznym. Ta widoczność ma dwie przyczyny. Po pierwsze, elektrony w grafenie oddziałują bardzo silnie z fotonami o częstotliwościach światła widzialnego, pochłaniając około 2,3 procent natężenia światła na warstwę atomową. Po drugie, kontrast optyczny jest silnie wzmacniany przez zjawiska interferencyjne w warstwie dwutlenku krzemu; są to te same zjawiska, które tworzą tęczowe kolory w cienkich filmach, takich jak film mydlany lub olej na wodzie.
