Elektroniske egenskaber
En af de mest nyttige egenskaber ved grafen er, at det er et halvmetal med nul overlap (med både huller og elektroner som ladningsbærere) med en meget høj elektrisk ledningsevne. Kulstofatomer har i alt 6 elektroner; 2 i den indre skal og 4 i den ydre skal. De 4 elektroner i den ydre skal i et enkelt kulstofatom er tilgængelige for kemisk binding, men i grafen er hvert atom forbundet med 3 andre kulstofatomer i det todimensionelle plan, hvilket efterlader 1 elektron frit tilgængelig i den tredje dimension til elektronisk ledelse. Disse meget bevægelige elektroner kaldes pi (π)-elektroner og befinder sig over og under grafenpladen. Disse pi-orbitaler overlapper hinanden og bidrager til at styrke kulstof-kulstofbindingerne i grafen. Grundlæggende dikteres graphenes elektroniske egenskaber af bindingerne og antibindingerne (valance- og ledningsbåndene) af disse pi-orbitaler.
Samlet forskning gennem de sidste 50 år har vist, at elektroner og huller ved Dirac-punktet i grafen har nul effektiv masse. Dette sker, fordi energi-bevægelsesrelationen (spektret for excitationer) er lineær for lave energier nær de 6 individuelle hjørner af Brillouin-zonen. Disse elektroner og huller er kendt som Dirac fermioner eller Graphinos, og de 6 hjørner af Brillouin-zonen er kendt som Dirac-punkterne. På grund af tilstandstætheden på nul ved Dirac-punkterne er den elektroniske ledningsevne faktisk ret lav. Fermi-niveauet kan imidlertid ændres ved dotering (med elektroner eller huller) for at skabe et materiale, der potentielt er bedre til at lede elektricitet end f.eks. kobber ved stuetemperatur.
Test har vist, at graphenes elektroniske mobilitet er meget høj, med tidligere rapporterede resultater på over 15.000 cm2-V-1-s-1 og teoretisk mulige grænser på 200.000 cm2-V-1-s-1 (begrænset af spredningen af graphenes akustiske fotoner). Det siges, at grafenelektroner opfører sig meget som fotoner i deres mobilitet på grund af deres mangel på masse. Disse ladningsbærere er i stand til at bevæge sig over submikrometerlange afstande uden at blive spredt, et fænomen, der kaldes ballistisk transport. Kvaliteten af grafenet og det anvendte substrat vil dog være de begrænsende faktorer. Med siliciumdioxid som substrat er mobiliteten f.eks. potentielt begrænset til 40.000 cm2-V-1-s-1.
“Med hensyn til, hvor langt vi er nået med at forstå grafenets sande egenskaber, er dette kun toppen af isbjerget. Før grafen bliver stærkt integreret i de områder, hvor vi tror, at det vil udmærke sig, skal vi bruge meget mere tid på at forstå, hvad der gør det til et så fantastisk materiale.”
Mekanisk styrke
En anden af graphenes fremtrædende egenskaber er dets iboende styrke. På grund af styrken af de 0,142 Nm lange kulstofbindinger er grafen det stærkeste materiale, der nogensinde er opdaget, med en trækstyrke på 130.000.000.000.000 Pascals (eller 130 gigapascal), sammenlignet med 400.000.000.000 for A36 konstruktionsstål eller 375.700.000 for aramid (Kevlar). Grafen er ikke blot ekstraordinært stærkt, det er også meget let med en vægt på 0,77 milligram pr. kvadratmeter (til sammenligning er 1 kvadratmeter papir ca. 1000 gange tungere). Det siges ofte, at et enkelt ark grafen (som kun er 1 atom tykt), der er stort nok til at dække en hel fodboldbane, ville veje under 1 enkelt gram.
Det, der gør det særligt specielt, er, at grafen også har elastiske egenskaber, idet det er i stand til at bevare sin oprindelige størrelse efter belastning. I 2007 blev der udført atomkraftmikroskopiske (AFM) tests på grafenplader, der var ophængt over hulrum af silikone-dioxid. Disse forsøg viste, at grafenplader (med en tykkelse på mellem 2 og 8 Nm) havde en fjederkonstant på 1-5 N/m og et Young-modul (forskelligt fra det tredimensionelle grafit) på 0,5 TPa. Igen er disse superlative tal baseret på teoretiske udsigter ved hjælp af grafen, der er uplettet og ikke indeholder nogen som helst ufuldkommenheder, og som i øjeblikket er meget dyrt og vanskeligt at reproducere kunstigt, selv om produktionsteknikkerne løbende forbedres, hvilket i sidste ende vil reducere omkostningerne og kompleksiteten.
Optiske egenskaber
Graphenes evne til at absorbere ret store 2,3 % af hvidt lys er også en unik og interessant egenskab, især i betragtning af, at det kun er 1 atom tykt. Dette skyldes dets førnævnte elektroniske egenskaber; elektronerne opfører sig som masseløse ladningsbærere med meget høj mobilitet. For et par år siden blev det bevist, at mængden af hvidt lys, der absorberes, er baseret på finstrukturkonstanten, snarere end at være dikteret af materialespecifikke forhold. Ved at tilføje endnu et lag grafen øges mængden af hvidt lys, der absorberes, med omtrent den samme værdi (2,3 %). Graphenes opacitet på πα ≈ 2,3 % svarer til en universel dynamisk ledningsevneværdi på G=e2/4ℏ (±2-3 %) over det synlige frekvensområde.
Få mere at vide om Grapheneas nye serie af graphene-felteffekttransistorer til biosensorer her.
På grund af disse imponerende egenskaber er det blevet observeret, at når den optiske intensitet når en vis tærskel (kendt som mætningsfluens), finder mættelig absorption sted (lys med meget høj intensitet medfører en reduktion i absorptionen). Dette er en vigtig egenskab med hensyn til mode-locking af fiberlasere. På grund af graphenes egenskaber ved bølgelængde-ufølsom ultrahurtig mættelig absorption er der opnået full-band mode locking ved hjælp af en erbium-doped dissipativ solitonfiberlaser, der kan opnå en bølgelængdeafstemning på helt op til 30 nm.
Dette er kun toppen af isbjerget med hensyn til, hvor langt vi er nået med at forstå graphenes sande egenskaber. Før grafen i høj grad integreres i de områder, hvor vi tror, at det vil udmærke sig, skal vi bruge meget mere tid på at forstå, hvad der gør det til et så fantastisk materiale. Selv om vi har stor fantasi til at komme med nye idéer til potentielle anvendelser og brug af grafen, tager det desværre tid at forstå fuldt ud, hvordan og hvad grafen virkelig er, for at disse idéer kan blive til virkelighed. Dette er dog ikke nødvendigvis en dårlig ting, da det giver os mulighed for at snuble over andre tidligere underudforskede eller oversete supermaterialer, f.eks. den familie af 2D-krystallinske strukturer, som grafen har født.