Graphen, eine zweidimensionale Form von kristallinem Kohlenstoff, entweder eine einzelne Schicht von Kohlenstoffatomen, die ein Wabengitter (hexagonal) bilden, oder mehrere gekoppelte Schichten dieser Wabenstruktur. Das Wort Graphen bezieht sich normalerweise auf einschichtiges Graphen, wenn es ohne Angabe der Form verwendet wird (z. B. zweischichtiges Graphen, mehrschichtiges Graphen). Graphen ist eine Grundform aller graphitischen Strukturen von Kohlenstoff: Graphit, ein dreidimensionaler Kristall, der aus relativ schwach gekoppelten Graphenschichten besteht; Nanoröhren, die als Graphenrollen dargestellt werden können; und Buckyballs, kugelförmige Moleküle aus Graphen mit einigen sechseckigen Ringen, die durch fünfeckige Ringe ersetzt wurden.
Erste Studien zu Graphen
Die theoretische Untersuchung von Graphen wurde 1947 vom Physiker Philip R. Wallace als erster Schritt zum Verständnis der elektronischen Struktur von Graphit begonnen. Der Begriff Graphen wurde 1986 von den Chemikern Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton und Eberhard Stumpp als Kombination aus dem Wort Graphit, das sich auf Kohlenstoff in seiner geordneten kristallinen Form bezieht, und dem Suffix -en, das sich auf polycyclische aromatische Kohlenwasserstoffe bezieht, eingeführt Die Kohlenstoffatome bilden hexagonale oder sechsseitige Ringstrukturen.
Im Jahr 2004 isolierten die Physiker Konstantin Novoselov und Andre Geim von der Universität Manchester einschichtiges Graphen mit einer äußerst einfachen Methode zum Peeling aus Graphit. Bei ihrer „Klebebandmethode“ wurden die obersten Schichten von einer Graphitprobe mit Klebeband entfernt und anschließend auf ein Substratmaterial aufgebracht. Als das Band entfernt wurde, blieb etwas Graphen in einschichtiger Form auf dem Substrat. Tatsächlich ist die Ableitung von Graphen an sich keine schwierige Aufgabe; Jedes Mal, wenn jemand mit einem Bleistift auf Papier zeichnet, enthält die Bleistiftspur einen kleinen Teil des einschichtigen und mehrschichtigen Graphens. Die Leistung der Manchester-Gruppe bestand nicht nur darin, Graphenflocken zu isolieren, sondern auch ihre physikalischen Eigenschaften zu untersuchen. Insbesondere zeigten sie, dass Elektronen in Graphen eine sehr hohe Mobilität aufweisen, was bedeutet, dass Graphen möglicherweise in elektronischen Anwendungen verwendet werden könnte. 2010 erhielten Geim und Novoselov für ihre Arbeit den Nobelpreis für Physik.
In diesen ersten Experimenten war das Substrat für Graphen Silizium, das auf natürliche Weise von einer dünnen transparenten Schicht aus Siliziumdioxid bedeckt war. Es stellte sich heraus, dass einschichtiges Graphen einen optischen Kontrast zu dem Siliziumdioxid erzeugte, der stark genug war, um das Graphen unter einem optischen Standardmikroskop sichtbar zu machen. Diese Sichtbarkeit hat zwei Ursachen. Erstens interagieren Elektronen in Graphen sehr stark mit Photonen in den Frequenzen des sichtbaren Lichts und absorbieren etwa 2,3 Prozent der Lichtintensität pro Atomschicht. Zweitens wird der optische Kontrast durch Interferenzphänomene in der Siliziumdioxidschicht stark verstärkt; Dies sind die gleichen Phänomene, die in dünnen Filmen wie Seifenfilmen oder Öl auf Wasser Regenbogenfarben erzeugen.
