Grafenkemi

Grafen, en tvådimensionell form av kristallint kol, antingen ett enda lager kolatomer som bildar ett bikakegitter (hexagonalt) eller flera kopplade skikt av denna bikakestruktur. Ordet grafen, när det används utan att specificera formen (t.ex. tvåskiktsgrafen, flerskiktsgrafen), hänvisar vanligtvis till enskiktsgrafen. Grafen är en moderform av alla grafitstrukturer av kol: grafit, som är en tredimensionell kristall bestående av relativt svagt kopplade grafenlager; nanorör, som kan representeras som rulle av grafen; och buckyballs, sfäriska molekyler gjorda av grafen med några hexagonala ringar ersatt av femkantiga ringar.

Första studier av grafen

Den teoretiska studien av grafen startades 1947 av fysikern Philip R. Wallace som ett första steg för att förstå den elektroniska strukturen i grafit. Termen grafen introducerades av kemisterna Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton och Eberhard Stumpp 1986 som en kombination av ordet grafit, med hänvisning till kol i dess ordnade kristallina form, och suffixet, med hänvisning till polycykliska aromatiska kolväten i vilka kolatomerna bildar hexagonala eller sexsidiga ringstrukturer.

År 2004 isolerade fysikerna i University of Manchester Konstantin Novoselov och Andre Geim och kollegor enskiktsgrafen med hjälp av en extremt enkel exfolieringsmetod från grafit. Deras "tejp-metod" använde tejp för att ta bort de översta skikten från ett prov av grafit och applicera sedan skikten på ett underlagsmaterial. När tejpen avlägsnades, förblev en del grafen kvar på underlaget i enskiktsform. I själva verket är härledningen av grafen inte en svår uppgift i sig; varje gång någon ritar med en penna på papper innehåller pennspåret en liten bråkdel av enskikts- och flerskiktsgrafen. Uppnåendet av Manchester-gruppen var inte bara att isolera grafenflingor utan också att studera deras fysiska egenskaper. I synnerhet demonstrerade de att elektroner i grafen har en mycket hög rörlighet, vilket innebär att grafen eventuellt kan användas i elektroniska applikationer. 2010 fick Geim och Novoselov nobelpriset för fysik för deras arbete.

I dessa första experiment var substratet för grafen kisel naturligt täckt av ett tunt genomskinligt skikt kiseldioxid. Det visade sig att enskiktsgrafen skapade en optisk kontrast med kiseldioxiden som var tillräckligt stark för att synliggöra grafen under ett standardoptiskt mikroskop. Denna synlighet har två orsaker. Först interagerar elektroner i grafen mycket starkt med fotoner i synliga ljusfrekvenser och absorberar cirka 2,3 procent av ljusets intensitet per atomskikt. För det andra förbättras den optiska kontrasten starkt av interferensfenomen i kiseldioxidskiktet; det är samma fenomen som skapar regnbågens färger i tunna filmer som tvålfilm eller olja på vatten.