Grafen jest jedną z form węgla. Podobnie jak diamenty i grafit, formy (lub "alotropy") węgla mają różne struktury krystaliczne, a to daje im różne właściwości. Grafen jest podstawową dwuwymiarową formą szeregu trójwymiarowych alotropów, takich jak grafit, węgiel drzewny, fulleren i nanorurki węglowe. Grafen to pojedyncza, atomowa warstwa atomów węgla połączonych wiązaniami typu sp2, ułożonych w heksagonalną (plastry miodu) sieć.

Budowa i struktura

Termin grafen został ukuty jako połączenie grafitu i przyrostka "-ene" przez Hannsa-Petera Boehma, który w 1962 roku opisał jednowarstwowe folie węglowe. Atomowa siatka grafenu przypomina plaster miodu lub strukturę "drutu z kurczaka" — każdy atom węgla jest połączony z trzema sąsiadami, tworząc regularne sześciokąty. Odległość między sąsiednimi atomami C–C wynosi około 0,142 nm, a w graficie odstęp między warstwami wynosi około 0,335 nm.

Właściwości fizyczne i chemiczne

  • Wytrzymałość mechaniczna: grafen jest jednym z najmocniejszych znanych materiałów — moduł Younga ~1 terapaskal (1 TPa) i wytrzymałość na rozciąganie rzędu 100–130 GPa dla idealnych arkuszy.
  • Właściwości elektryczne: elektrony w grafenie zachowują się jak bezmasowe fermiony Diraca — energia zależy liniowo od pędu, co prowadzi do bardzo dużej ruchliwości nośników ładunku (w najlepszych próbkach dochodzącej do >100 000 cm2/V·s) i bardzo wysokiej przewodności.
  • Termiczna przewodność: niezwykle wysoka, rzędu kilku tysięcy W/m·K (wartości zależne od jakości próbki i temperatury).
  • Przezroczystość: pojedyncza warstwa absorbuje około πα ≈ 2,3% światła widzialnego, więc arkusz grafenu jest niemal przezroczysty (~97,7% transmisji).
  • Bariera dla gazów: idealny arkusz grafenu jest nieprzepuszczalny dla większości cząsteczek i jonów.
  • Chemia powierzchni: grafen można modyfikować chemicznie (utlenianie, funkcjonalizacja) co pozwala na regulowanie jego właściwości elektronicznych i chemicznych.
  • Brak przerwy energetycznej: jednowarstwowy grafen jest materiałem bezpasmowym (zero-bandgap), co jest korzystne dla niektórych zastosowań, ale utrudnia funkcje typowe dla półprzewodników; przerwę energetyczną można wprowadzić np. przez wytworzenie wstęg grafenowych (nanoribbons), stosowanie bilayeru z polem elektrycznym czy funkcjonalizację chemiczną.

Metody wytwarzania

Istnieje kilka podejść do otrzymywania grafenu, różniących się skalą, kosztem i jakością otrzymanego materiału:

  • Mechaniczne łuszczenie (metoda „scotch tape”): mikromechaniczne oddzielanie warstw z grafitu — metoda użyta przez Geima i Novoselova do pierwszych eksperymentów; daje wysokiej jakości próbki, ale jest nieefektywna dla masowej produkcji.
  • Synteza CVD (chemical vapor deposition): osadzanie węglowodorów na podłożach metalicznych (Cu, Ni) — metoda skalowalna do produkcji dużych arkuszy z dobrą jakością po transferze na podłoże docelowe.
  • Redukcja tlenku grafenu (GO): produkcja z roztworów pozwala na tanie, masowe otrzymywanie materiałów typu „grafenopochodne”, stosowanych np. w kompozytach i powłokach; jakość i przewodność po redukcji są zazwyczaj gorsze niż w przypadku CVD lub eksfoliacji mechanicznej.
  • Wzrost epitaksjalny na SiC: termiczne odgazowanie krzemu z powierzchni węglika krzemu tworzy warstwy grafenowe — metoda stosowana w elektronice wysokiej jakości.

Charakterystyka i techniki badawcze

Do badania i identyfikacji grafenu używa się m.in.:

  • Spektroskopii Raman — charakterystyczne pasma (G, 2D) pozwalają rozróżnić liczbę warstw i poziom defektów.
  • AFM (mikroskopia sił atomowych) oraz TEM (transmisyjna mikroskopia elektronowa) — do określenia struktury i grubości warstw.
  • Elektroniczne pomiary transportowe — mobilność, koncentracja nośników, efekt Halla.

Zastosowania

Ze względu na unikalne połączenie przewodnictwa elektrycznego, mechanicznej wytrzymałości, przezroczystości i przewodności cieplnej grafen znajduje zastosowania w wielu dziedzinach:

  • Elektronika i optoelektronika: elastyczne ekrany dotykowe, przezroczyste elektrody, tranzystory wysokiej częstotliwości, fotodetektory.
  • Energetyka: superkondensatory, elektrody do baterii litowo-jonowych, materiały do magazynowania wodoru.
  • Kompozyty i powłoki: wzmocnienie polimerów, lekkie i wytrzymałe materiały konstrukcyjne, powłoki antykorozyjne i przewodzące.
  • Czujniki: bardzo czułe sensory gazów, bioczułe sensory dzięki dużej powierzchni właściwej i możliwości funkcjonalizacji.
  • Membrany i separacje: ultracienkie membrany do odsalania i separacji molekularnej.
  • Spintronika i kwantowe układy: badania nad transportem spinów i efektami kwantowymi w układach typu grafen.
  • Biomedycyna: nośniki leków, matryce do hodowli komórek, chociaż kwestie biokompatybilności wymagają dalszych badań.

Nagroda Nobla i znaczenie odkrycia

Trzy miliony arkuszy grafenu ułożonych w stosy w celu utworzenia grafitu miałyby tylko jeden milimetr grubości. Nagrodę Nobla z fizyki za rok 2010 otrzymali Sir Andre Geim i Sir Konstantin Novoselov "za przełomowe eksperymenty dotyczące dwuwymiarowego grafenu materiałowego". Ich prace, polegające m.in. na izolowaniu pojedynczych warstw grafenu metodą mikromechanicznego łuszczenia, otworzyły intensywne badania nad właściwościami i potencjalnymi zastosowaniami tego materiału.

Wyzwania i perspektywy

Mimo ogromnego potencjału grafenu stoi przed użytkownikami kilka wyzwań:

  • Trudności w masowej produkcji materiału o jednocześnie wysokiej jakości i niskim koszcie.
  • Kontrola defektów, zanieczyszczeń i jednorodności — kluczowe dla powtarzalności parametrów urządzeń.
  • Brak naturalnej przerwy energetycznej w jednowarstwowym grafenie utrudnia jego zastosowanie w klasycznych układach cyfrowych; potrzeba technik modyfikacji pasma.
  • Aspekty środowiskowe i toksykologiczne — wpływ na zdrowie i środowisko produkcji oraz zastosowań grafenopochodnych wymaga dalszych badań.

Podsumowując, grafen to materiał o niezwykłych właściwościach, który już zrewolucjonizował badania naukowe i rozwija zastosowania przemysłowe. Wielość dostępnych technik wytwarzania i modyfikacji, a także rosnące inwestycje badawcze wskazują, że w kolejnych latach zobaczymy coraz więcej produktów i technologii wykorzystujących dwuwymiarowy węgiel.