Graphene, dvourozměrná forma krystalického uhlíku, buď jediná vrstva atomů uhlíku vytvářející voštinovou (hexagonální) mříž nebo několik spojených vrstev této voštinové struktury. Slovo grafen, pokud je použito bez uvedení formy (např. Dvouvrstvý grafen, vícevrstvý grafen), se obvykle týká jednovrstvého grafenu. Grafen je rodičovská forma všech grafitických struktur uhlíku: grafit, což je trojrozměrný krystal sestávající z relativně slabě spřažených grafenových vrstev; nanotrubice, které mohou být reprezentovány jako svitky grafenu; a buckyballs, sférické molekuly vyrobené z grafenu s některými hexagonálními kruhy nahrazenými pentagonálními kruhy.
První studie grafenu
Teoretické studium grafenu zahájil v roce 1947 fyzik Philip R. Wallace jako první krok k pochopení elektronické struktury grafitu. Termín grafen byl představen chemiky Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton a Eberhard Stumpp v roce 1986 jako kombinace slova grafit, odkazující na uhlík v jeho uspořádané krystalické formě, a přípona -en, odkazující na polycyklické aromatické uhlovodíky, ve kterých atomy uhlíku tvoří hexagonální nebo šestistranné kruhové struktury.
V roce 2004 fyzici University of Manchester Konstantin Novoselov a Andre Geim a jeho kolegové izolovali jednovrstvý grafen pomocí extrémně jednoduché metody exfoliace z grafitu. Jejich „metoda skotské pásky“ použila adhezivní pásku k odstranění horních vrstev ze vzorku grafitu a poté k nanesení vrstev na materiál substrátu. Když byla páska odstraněna, nějaký grafen zůstal na substrátu v jednovrstvé formě. Ve skutečnosti není odvození grafenu samo o sobě obtížným úkolem; pokaždé, když někdo kreslí tužkou na papíře, stopa tužky obsahuje malou frakci jednovrstvého a vícevrstvého grafenu. Cílem Manchesterské skupiny nebylo jen izolovat grafenové vločky, ale také studovat jejich fyzikální vlastnosti. Zejména prokázali, že elektrony v grafenu mají velmi vysokou mobilitu, což znamená, že by grafen mohl být použit v elektronických aplikacích. V roce 2010 Geim a Novoselov získali za svou práci Nobelovu cenu za fyziku.
V těchto prvních experimentech byl substrátem pro grafen křemík přirozeně pokryt tenkou průhlednou vrstvou oxidu křemičitého. Ukázalo se, že jednovrstvý grafen vytvořil optický kontrast s oxidem křemičitým, který byl dostatečně silný, aby byl grafen viditelný pod standardním optickým mikroskopem. Tato viditelnost má dvě příčiny. Zaprvé, elektrony v grafenu interagují velmi silně s fotony ve frekvencích viditelného světla, které absorbují asi 2,3 procent intenzity světla na atomovou vrstvu. Za druhé, optický kontrast je silně zvýšen interferenčními jevy ve vrstvě oxidu křemičitého; jedná se o stejné jevy, které vytvářejí duhové barvy v tenkých filmech, jako je mýdlový film nebo olej na vodě.
