Grafeeni, kiteisen hiilen kaksiulotteinen muoto, joko yksi kerros hiiliatomeja muodostaen kennomaisen (kuusikulmaisen) hilan tai useita kytkettyjä kerroksia tästä kennorakenteesta. Sana grafeeni, kun sitä käytetään määrittelemättä muotoa (esim. Kaksikerroksinen grafeeni, monikerrosgrafeeni), tarkoittaa yleensä yksikerroksista grafeenia. Grafeeni on kaikkien hiilen grafiittisten rakenteiden lähtömuoto: grafiitti, joka on kolmiulotteinen kide, joka koostuu suhteellisen heikosti kytketyistä grafeenikerroksista; nanoputket, joita voidaan edustaa grafeenin rullana; ja buckyballs, pallomaiset molekyylit, jotka on valmistettu grafeenista ja joissain kuusikulmaisissa renkaissa on korvattu viisikulmaisilla renkaista.
Grafeenin ensimmäiset tutkimukset
Grafeenin teoreettinen tutkimus aloitti fyysikko Philip R. Wallace vuonna 1947 ensimmäisenä askeleena grafiitin sähköisen rakenteen ymmärtämisessä. Kemistit Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton ja Eberhard Stumpp ottivat vuonna 1986 käyttöön termin grafeeni sanan grafiitti yhdistelmänä, viitaten hiileen sen järjestämässä kiteisessä muodossa, ja jälkiliitteen -ene viittaamalla polysyklisiin aromaattisiin hiilivetyihin, joissa hiiliatomit muodostavat kuusikulmaisia tai kuusipuolisia rengasrakenteita.
Vuonna 2004 Manchesterin yliopiston fyysikot Konstantin Novoselov ja Andre Geim ja hänen kollegansa erottivat yksikerroksisen grafeenin käyttämällä erittäin yksinkertaista hiontamenetelmää grafiitista. Heidän ”scotch-tape -menetelmä” käytti teippiä ylimpien kerrosten poistamiseksi grafiittinäytteestä ja levittämään kerrokset alustamateriaalille. Kun nauha poistettiin, osa grafeenia pysyi substraatissa yksikerroksisessa muodossa. Itse asiassa grafeenin johdannainen ei sinänsä ole vaikea tehtävä; joka kerta kun joku piirtää kynällä paperille, lyijykynä sisältää pienen osan yksikerroksisesta ja monikerroksisesta grafeenista. Manchester-ryhmän saavutuksena oli paitsi grafeenihiutaleiden eristäminen myös tutkia niiden fysikaalisia ominaisuuksia. Erityisesti he osoittivat, että grafeenissa olevilla elektroneilla on erittäin suuri liikkuvuus, mikä tarkoittaa, että grafeenia voidaan mahdollisesti käyttää sähköisissä sovelluksissa. Vuonna 2010 Geim ja Novoselov saivat Nobelin fysiikan palkinnon työstään.
Näissä ensimmäisissä kokeissa grafeenin substraatti oli piitä, jonka luonnollisesti peitti ohut läpinäkyvä piidioksidikerros. Kävi ilmi, että yksikerroksinen grafeeni loi optisen kontrastin piidioksidin kanssa, joka oli riittävän vahva tekemään grafeeni näkyväksi tavallisessa optisessa mikroskoopissa. Tällä näkyvyydellä on kaksi syytä. Ensinnäkin, grafeenissa olevat elektronit vuorovaikutuksessa erittäin voimakkaasti näkyvien valon taajuuksien fotonien kanssa, absorboivat noin 2,3 prosenttia valon voimakkuudesta atomikerrosta kohti. Toiseksi optista kontrastia parantavat voimakkaasti piidioksidikerroksen häiriöilmiöt; nämä ovat samoja ilmiöitä, jotka luovat sateenkaaren värejä ohuissa kalvoissa, kuten saippuakalvossa tai öljyssä veteen.
