Grafenul, o formă bidimensională de carbon cristalină, fie un singur strat de atomi de carbon care formează o zăpadă (hexagonală) sau mai multe straturi cuplate ale acestei structuri de fagure. Cuvântul grafen, atunci când este utilizat fără a specifica forma (de exemplu, grafenul cu mai multe straturi, grafenul cu mai multe straturi), se referă de obicei la grafen cu un singur strat. Grafenul este o formă părinte a tuturor structurilor grafitice ale carbonului: grafitul, care este un cristal tridimensional format din straturi de grafen relativ slab cuplate; nanotuburi, care pot fi reprezentate ca suluri de grafen; și buckyballs, molecule sferice obținute din grafen cu unele inele hexagonale înlocuite cu inele pentagonale.
Primele studii despre grafen
Studiul teoretic al grafenului a fost început în 1947 de către fizicianul Philip R. Wallace ca prim pas pentru înțelegerea structurii electronice a grafitului. Termenul grafen a fost introdus de chimiștii Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton și Eberhard Stumpp în 1986, ca o combinație a cuvântului grafit, referindu-se la carbon în forma sa cristalină ordonată și la sufixul -ene, referindu-se la hidrocarburi aromatice policiclice în care atomii de carbon formează structuri inelare hexagonale sau cu șase fețe.
În 2004, fizicienii de la Universitatea din Manchester, Konstantin Novoselov și Andre Geim și colegii lor au izolat grafenul cu un singur strat folosind o metodă extrem de simplă de exfoliere din grafit. „Metoda lor de bandă scotch” folosea banda adezivă pentru a îndepărta straturile superioare dintr-un eșantion de grafit și apoi aplica straturile pe un material de substrat. Când banda a fost îndepărtată, un anumit grafen a rămas pe substrat sub formă de un singur strat. De fapt, derivarea grafenului nu este o sarcină dificilă de la sine; de fiecare dată când cineva desenează cu un creion pe hârtie, urmele de creion conțin o fracție mică de grafen cu un singur strat și multistrat. Realizarea grupului din Manchester a fost nu numai izolarea fulgilor de grafen, ci și studierea proprietăților lor fizice. În special, ei au demonstrat că electronii din grafen au o mobilitate foarte mare, ceea ce înseamnă că grafenul ar putea fi folosit în aplicații electronice. În 2010, Geim și Novoselov au primit premiul Nobel pentru fizică pentru munca lor.
În aceste prime experimente, substratul pentru grafen a fost acoperit în mod natural de siliciu de un strat subțire transparent de dioxid de siliciu. S-a dovedit că grafenul cu un singur strat a creat un contrast optic cu dioxidul de siliciu suficient de puternic pentru a face vizibil grafenul sub un microscop optic standard. Această vizibilitate are două cauze. În primul rând, electronii din grafen interacționează foarte puternic cu fotonii din frecvențele luminii vizibile, absorbând aproximativ 2,3 la sută din intensitatea luminii pe strat atomic. În al doilea rând, contrastul optic este puternic îmbunătățit de fenomenele de interferență în stratul de dioxid de siliciu; acestea sunt aceleași fenomene care creează culori curcubeu în pelicule subțiri, cum ar fi peliculă de săpun sau ulei pe apă.
