Grafen, iki boyutlu bir kristalin karbon formu, ya bir petek (altıgen) kafes oluşturan tek bir karbon atomu katmanı ya da bu petek yapısının birkaç birleştirilmiş katmanı. Grafen kelimesi, formu belirtmeden kullanıldığında (örneğin, iki tabakalı grafen, çok tabakalı grafen), genellikle tek katmanlı grafene karşılık gelir. Grafen, karbonun tüm grafitik yapılarının ana formudur: nispeten zayıf bir şekilde bağlanmış grafen katmanlarından oluşan üç boyutlu bir kristal olan grafit; grafen tomarları olarak temsil edilebilen nanotüpler; ve buckyballs, penengonal halkalar ile değiştirilen bazı altıgen halkalar ile grafenden yapılan küresel moleküller.
İlk grafen çalışmaları
Grafenin teorik olarak incelenmesi, grafiğin elektronik yapısını anlamanın ilk adımı olarak fizikçi Philip R. Wallace tarafından 1947'de başlatıldı. Grafen terimi, kimyagerler Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton ve Eberhard Stumpp tarafından 1986'da grafit kelimesinin bir kombinasyonu olarak, düzenli kristal formundaki karbona ve -en sonekine, karbon atomları altıgen veya altı taraflı halka yapıları oluşturur.
2004'te Manchester Üniversitesi fizikçileri Konstantin Novoselov ve Andre Geim ve meslektaşları, grafitten çok basit bir eksfoliasyon yöntemi kullanarak tek katmanlı grafeni izole ettiler. Onların "bant-bant yöntemi", bir grafit örneğinden üst tabakaları çıkarmak ve daha sonra tabakaları bir alt-tabaka malzemesine uygulamak için yapışkan bant kullandı. Bant çıkarıldığında, substrat üzerinde bir miktar tekli formda bir miktar grafen kalmıştır. Aslında, grafenin türetilmesi kendi başına zor bir iş değildir; Birisi kağıda her kalemle çizdiğinde, kalem izi küçük bir tek katmanlı ve çok katmanlı grafen fraksiyonu içerir. Manchester grubunun başarısı sadece grafen pullarını izole etmek değil, aynı zamanda fiziksel özelliklerini de incelemekti. Özellikle, grafen içindeki elektronların çok yüksek hareket kabiliyetine sahip olduklarını gösterdiler, yani grafenin elektronik uygulamalarda kullanılabileceği anlamına geliyordu. 2010 yılında Geim ve Novoselov'a çalışmaları için Nobel Fizik Ödülü verildi.
Bu ilk deneylerde, grafen için substrat, doğal olarak ince şeffaf bir silikon dioksit tabakası ile kaplanmış olan silikon idi. Tek katmanlı grafenin silikon dioksit ile grafiği standart bir optik mikroskop altında görünür hale getirecek kadar güçlü bir optik kontrast oluşturduğu ortaya çıktı. Bu görünürlüğün iki nedeni vardır. Birincisi, grafen içindeki elektronlar, görünür ışık frekanslarındaki fotonlarla çok güçlü bir şekilde etkileşime girerek ışığın atomik katman başına yoğunluğunun yaklaşık yüzde 2.3'ünü emer. İkincisi, optik kontrast silikon dioksit tabakasındaki girişim fenomenleri ile kuvvetle arttırılır; bunlar sabun filmi veya su üzerinde yağ gibi ince filmlerde gökkuşağı renkleri oluşturan aynı fenomenlerdir.
