Grafeen, een tweedimensionale vorm van kristallijne koolstof, ofwel een enkele laag koolstofatomen die een honingraat (hexagonaal) rooster vormen, ofwel meerdere gekoppelde lagen van deze honingraatstructuur. Het woord grafeen verwijst, wanneer het wordt gebruikt zonder de vorm te specificeren (bijvoorbeeld dubbellaags grafeen, meerlagig grafeen), gewoonlijk naar enkellaags grafeen. Grafeen is een moedervorm van alle grafietstructuren van koolstof: grafiet, een driedimensionaal kristal dat bestaat uit relatief zwak gekoppelde grafeenlagen; nanobuizen, die kunnen worden weergegeven als rollen van grafeen; en buckyballs, sferische moleculen gemaakt van grafeen met enkele hexagonale ringen vervangen door vijfhoekige ringen.
Eerste studies van grafeen
De theoretische studie van grafeen werd in 1947 gestart door natuurkundige Philip R. Wallace als een eerste stap om de elektronische structuur van grafiet te begrijpen. De term grafeen werd in 1986 geïntroduceerd door chemici Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton en Eberhard Stumpp als een combinatie van het woord grafiet, verwijzend naar koolstof in de geordende kristallijne vorm, en het achtervoegsel -een, verwijzend naar polycyclische aromatische koolwaterstoffen waarin de koolstofatomen vormen hexagonale of zeszijdige ringstructuren.
In 2004 isoleerden natuurkundigen Konstantin Novoselov en Andre Geim en collega's van de Universiteit van Manchester enkellaags grafeen met behulp van een uiterst eenvoudige afschilfermethode uit grafiet. Hun "scotch-tape-methode" gebruikte plakband om de bovenste lagen van een grafietmonster te verwijderen en vervolgens de lagen op een substraatmateriaal aan te brengen. Bij het verwijderen van de tape bleef er wat grafeen achter op het substraat in enkellaagse vorm. In feite is afleiding van grafeen op zichzelf geen moeilijke taak; Elke keer dat iemand met een potlood op papier tekent, bevat het potloodspoor een kleine fractie enkellaags en meerlagig grafeen. De prestatie van de Manchester-groep was niet alleen om grafeenvlokken te isoleren, maar ook om hun fysieke eigenschappen te bestuderen. Ze toonden met name aan dat elektronen in grafeen een zeer hoge mobiliteit hebben, wat betekent dat grafeen mogelijk kan worden gebruikt in elektronische toepassingen. In 2010 ontvingen Geim en Novoselov voor hun werk de Nobelprijs voor natuurkunde.
Bij deze eerste experimenten was het substraat voor grafeen silicium dat van nature bedekt was met een dunne transparante laag siliciumdioxide. Het bleek dat enkellaags grafeen een optisch contrast creëerde met het siliciumdioxide dat sterk genoeg was om het grafeen zichtbaar te maken onder een standaard optische microscoop. Deze zichtbaarheid heeft twee oorzaken. Ten eerste werken elektronen in grafeen zeer sterk samen met fotonen in de zichtbare lichtfrequenties, en absorberen ze ongeveer 2,3 procent van de lichtintensiteit per atoomlaag. Ten tweede wordt het optische contrast sterk versterkt door interferentieverschijnselen in de siliciumdioxidelaag; dit zijn dezelfde fenomenen die regenboogkleuren creëren in dunne films zoals zeepfilm of olie op water.
