Grafen je ena od oblik ogljika. Tako kot diamanti in grafit imajo oblike (ali "alotropi") ogljika različne kristalne strukture, zaradi česar imajo različne lastnosti. Grafen je osnovna 2D (dvodimenzionalna) oblika številnih 3D alotropov, kot so grafit, oglje, fuleren in ogljikove nanocevke.

Izraz grafen je kot kombinacijo grafita in pripone "-en" skoval Hanns-Peter Boehm, ki je leta 1962 opisal enoslojne ogljikove folije. Grafen je podoben satovju ali strukturi "piščančje žice", ki je sestavljena iz ogljikovih atomov in njihovih vezi. Grafit je več grafenovih listov, zloženih skupaj.

Trije milijoni grafenskih listov, zloženih v grafit, bi bili debeli le en milimeter.

Nobelovo nagrado za fiziko za leto 2010 sta prejela sir Andre Geim in sir Konstantin Novoselov "za prelomne poskuse v zvezi z dvodimenzionalnim materialom grafenom".

Grafenovi superkondenzatorji so ena od možnih aplikacij.

Struktura

Grafen je enoslojna mreža ogljikovih atomov, vezanih v obliki šestkotnih obročev (honeycomb). Vsak atom je sp2-hibridiziran in tvori tri močne kovalentne vezi z bližnjimi atomi, četrti elektron pa prispeva k delokaliziranemu π-elektronskemu sistemu. Medslojna razdalja v grafitu (če zložimo grafenove lističe) znaša približno 0,335 nm. V elektronskem spektru grafena se pojavljata značilni točki (K in K') z linearnim disperzijskim odnosom — tako imenovani Diracovi stožci — zaradi česar se elektroni v grafenu obnašajo kot brezmasni Diracovi fermioni.

Ključne lastnosti

  • Mehanska trdnost: grafen je izjemno močan — natezna trdnost in modul elastičnosti sta med najvišjimi, znani vrednosti za Youngov modul so okoli 1 TPa.
  • Električna prevodnost: izjemna električna prevodnost in visoka mobilnost nosilcev naboja (v idealnih pogojih >100.000 cm²/V·s) omogočata hitre elektronske naprave.
  • Toplotna prevodnost: zelo dobra toplotna prevodnost (v področju nekaj 1000 W/m·K), kar je koristno za odvajanje toplote.
  • Optične lastnosti: en sam sloj grafena absorbira približno 2,3 % vidne svetlobe — je praktično prosojen in zelo primeren za transparentne elektrode.
  • Fleksibilnost in tanek profil: ker gre za enoatomski sloj, je grafen izjemno tanek in hkrati upogljiv.
  • Elektronska struktura: grafen nima običajnega pasovnega prepada (je polkovinski/semimetalen), kar je prednost za nekatere aplikacije in hkrati izziv za digitalno elektroniko, kjer je potreben jasno definiran pasovni prepadi.

Pridobivanje in proizvodne metode

Obstaja več načinov za izdelavo grafena, odvisno od zahtevane kakovosti in količine:

  • Mehanska eksfoliacija: (»Scotch-tape« metoda) ločevanje posameznih lističev iz grafita; daje visoko kakovostne vzorce za raziskave, vendar ni industrijsko razširjena.
  • Chemical vapor deposition (CVD): taljenje ali rast na kovinskih substratih (npr. bakar, nikelj) omogoča proizvodnjo velikih površin grafena primerne kakovosti za industrijske aplikacije.
  • Epitaksialna rast na SiC: ogrevanje silicijevega karbida povzroči sublimacijo silicija in na površini ostane grafenski sloj; ta metoda daje kakovostne enoslojne ali večslojne materiale za elektroniko.
  • Kemične metode: oksidacija grafita v grafenov oksid (GO) in kasnejša reduciranja omogoča množično proizvodnjo, vendar pogosto z več napakami in ostanki funkcionalnih skupin.

Uporabe in potencialne aplikacije

Grafen ima širok nabor potencialnih in dejanskih uporab zaradi kombinacije električnih, mehanskih in optičnih lastnosti:

  • Elektronika: visokomobilne tranzistorje za RF-aplikacije, fleksibilna elektronika in transparentne elektrode za zaslone ter fotonapravice.
  • Senzorji: zaradi velike specifične površine in občutljivega površinskega stanja so grafenski materiali odlični za plinske in biokemijske senzore.
  • Kompoziti: vgrajen v polimere in druge matrice poveča trdnost, toplotno in električno prevodnost materialov ob zmanjšani masi.
  • Energija: grafenovi superkondenzatorji, izboljšane anode/katode za baterije, vodne elektrokatalize in druge rešitve za shranjevanje energije.
  • Membrane in filtracija: enoslojni ali funkcionalizirani grafenski filtri za ločevanje ionov in desalinizacijo vode.
  • Biomedicina in farmacija: dostava zdravil, biokompatibilne površine in bioosjetljive strukture (pričakovati je, da bo potrebnih še veliko raziskav glede varnosti in biokompatibilnosti).
  • Plasmonika in fotonika: hitro nastajajoče področje, kjer grafen omogoča stiskanje svetlobe in hitro modulacijo pri visoki frekvenci.

Izzivi in prihodnji razvoj

Kljub velikemu potencialu ima grafen tudi omejitve, ki jih raziskovalci in industrija poskušajo preseči:

  • Pridobivanje velikega obsega visokokakovostnega brezdefektnega grafena po nizki ceni še ni popolnoma rešen problem.
  • Za digitalno elektroniko je problem odsotnosti pasovnega prepada; raziskujejo se poti (npr. rezanje v nanoreže, uporaba heterostruktur ali dopiranje), da bi v grafenu ustvarili uporabne prepade.
  • Integracija grafena v obstoječe proizvodne procese in materiali ter kontrola napak, adhezije in čistosti zahtevajo nadaljnji razvoj.
  • Varnost in okoljski vplivi morajo biti temeljito raziskani pred široko komercialno uporabo v nekaterih aplikacijah (npr. biomedicinski izdelki).

Grafen ostaja eno najbolj aktivnih raziskovalnih področij sodobne materialne znanosti. Njegove izjemne lastnosti že danes vodijo do komercialnih prototipov in nišnih proizvodov, v prihodnjih letih pa se pričakuje širša uporaba, ko bodo rešitve za proizvodnjo in integracijo zrele.