Varastokori

Sähköiset ominaisuudet

Yksi grafeenin hyödyllisimmistä ominaisuuksista on se, että se on nolla päällekkäisyyttä omaava puolimetalli (jossa varauksenkuljettajina ovat sekä reiät että elektronit), jolla on erittäin korkea sähkönjohtavuus. Hiiliatomeilla on yhteensä 6 elektronia; 2 sisäkuoressa ja 4 ulkokuoressa. Yksittäisen hiiliatomin neljä ulkokuoren elektronia ovat käytettävissä kemiallisiin sidoksiin, mutta grafeenissa kukin atomi on yhdistetty kolmeen muuhun hiiliatomiin kaksiulotteisella tasolla, jolloin yksi elektroni on vapaasti käytettävissä kolmannessa ulottuvuudessa elektronijohtumista varten. Näitä erittäin liikkuvia elektroneja kutsutaan pi-(π)-elektroneiksi, ja ne sijaitsevat grafeenilevyn ylä- ja alapuolella. Nämä pi-orbitaalit ovat päällekkäisiä ja auttavat vahvistamaan grafeenin hiilen ja hiilen välisiä sidoksia. Pohjimmiltaan grafeenin elektroniset ominaisuudet määräytyvät näiden pi-orbitaalien sidosten ja antisidosten (valanssi- ja johtumiskaistojen) perusteella.

Viimeisten 50 vuoden aikana tehdyt tutkimukset ovat osoittaneet, että grafeenin Dirac-pisteessä elektroneilla ja rei’illä on nolla tehollista massaa. Tämä johtuu siitä, että energia – liike -suhde (herätteiden spektri) on lineaarinen matalilla energioilla lähellä Brillouinin vyöhykkeen 6 yksittäistä kulmaa. Näitä elektroneja ja reikiä kutsutaan Dirac-fermioneiksi eli grafiineiksi, ja Brillouinin vyöhykkeen 6 kulmaa tunnetaan Dirac-pisteinä. Koska Dirac-pisteiden tilatiheys on nolla, elektroninen johtavuus on itse asiassa melko alhainen. Fermi-tasoa voidaan kuitenkin muuttaa seostamalla (elektroneilla tai rei’illä), jolloin saadaan aikaan materiaali, joka mahdollisesti johtaa sähköä paremmin kuin esimerkiksi kupari huoneenlämmössä.

Kokeet ovat osoittaneet, että grafeenin elektroninen liikkuvuus on hyvin suuri, aiemmin raportoituja tuloksia on saatu yli 15 000 cm2-V-1-s-1 ja teoreettisesti mahdollisia rajoja 200 000 cm2-V-1-s-1 (jota rajoittaa grafeenin akustisten fotonien sironta). On sanottu, että grafeenielektronit käyttäytyvät liikkuvuudeltaan hyvin samankaltaisesti kuin fotonit, koska niillä ei ole massaa. Nämä varauksenkuljettajat pystyvät kulkemaan alle mikrometrin pituisia matkoja ilman sirontaa; ilmiö tunnetaan nimellä ballistinen kuljetus. Rajoittavina tekijöinä ovat kuitenkin grafeenin laatu ja käytettävä substraatti. Kun substraattina käytetään esimerkiksi piidioksidia, liikkuvuus rajoittuu mahdollisesti 40 000 cm2-V-1-s-1:een.

Mekaaninen lujuus

Toinen grafeenin ylivoimaisista ominaisuuksista on sen luontainen lujuus. Sen 0,142 Nm:n pituisten hiilisidosten lujuuden ansiosta grafeeni on vahvin koskaan löydetty materiaali, jonka murtovetolujuus on 130 000 000 000 pascalia (eli 130 gigapascalia), kun A36-rakenneteräksen vetolujuus on 400 000 000 pascalia tai Aramidin (Kevlar) vetolujuus 375 700 000 pascalia. Sen lisäksi, että grafeeni on poikkeuksellisen vahvaa, se on myös erittäin kevyttä, 0,77 milligrammaa neliömetriä kohti (vertailun vuoksi 1 neliömetri paperia on noin 1000 kertaa raskaampaa). Usein sanotaan, että yksittäinen grafeenilevy (joka on vain yhden atomin paksuinen), jonka koko riittäisi kattamaan kokonaisen jalkapallokentän, painaisi alle yhden gramman.

Erityisen erikoisen tästä tekee se, että grafeenilla on myös elastisia ominaisuuksia, sillä se kykenee säilyttämään alkuperäisen kokonsa rasituksen jälkeen. Vuonna 2007 tehtiin atomivoimamikroskooppisia (AFM) testejä grafeenilevyille, jotka oli ripustettu silikonidioksidin onteloiden päälle. Testit osoittivat, että grafeenilevyjen (joiden paksuus oli 2-8 Nm) jousivakio oli alueella 1-5 N/m ja Youngin moduuli (joka poikkeaa kolmiulotteisen grafiitin vastaavasta) oli 0,5 TPa. Nämä superlatiiviset luvut perustuvat jälleen teoreettisiin näkymiin, joissa käytetään grafeenia, joka on virheetöntä, joka ei sisällä minkäänlaisia epätäydellisyyksiä ja joka on tällä hetkellä hyvin kallista ja vaikeasti keinotekoisesti jäljitettävää, vaikka tuotantotekniikat paranevat jatkuvasti, mikä lopulta vähentää kustannuksia ja monimutkaisuutta.

Optiset ominaisuudet

Grafeenin kyky absorboida melko paljon, 2,3 % valkoisesta valosta, on myös ainutlaatuinen ja mielenkiintoinen ominaisuus, varsinkin kun otetaan huomioon, että se on vain yhden atomin paksuinen. Tämä johtuu sen edellä mainituista elektronisista ominaisuuksista; elektronit toimivat massattomina varauksenkuljettajina, joilla on erittäin suuri liikkuvuus. Muutama vuosi sitten todistettiin, että valkoisen valon absorption määrä perustuu hienorakennekonstanssiin eikä ole materiaalin ominaisuuksien sanelema. Toisen grafeenikerroksen lisääminen lisää valkoisen valon absorptiomäärää suunnilleen samalla arvolla (2,3 %). Grafeenin opasiteetti πα ≈ 2,3 % vastaa universaalia dynaamisen johtavuuden arvoa G=e2/4ℏ (±2-3 %) näkyvällä taajuusalueella.

Lue lisää Graphenean uudesta valikoimasta grafeenikenttäefektitransistoreja biosensoreihin tästä.

Tästä vaikuttavista ominaisuuksista johtuen on havaittu, että kun optinen intensiteetti saavuttaa tietyn kynnysarvon (jota kutsutaan kyllästysfluenssiksi), tapahtuu kyllästyvä absorptio (hyvin suuren intensiteetin valo aiheuttaa absorption vähenemisen). Tämä on tärkeä ominaisuus kuitulasereiden moodilukituksen kannalta. Grafeenin aallonpituusherkän ultranopean kyllästyvän absorption ominaisuuksien ansiosta on saavutettu täyden kaistan moodilukitus erbiumilla seostetulla dissipatiivisella solitonikuitulaserilla, jolla voidaan saavuttaa jopa 30 nm:n aallonpituusviritys.

Tämä on vasta jäävuoren huippu siitä, kuinka pitkällä olemme grafeenin todellisten ominaisuuksien ymmärtämisessä. Ennen kuin grafeeni integroidaan vahvasti niille aloille, joilla uskomme sen loistavan, meidän on käytettävä paljon enemmän aikaa sen ymmärtämiseen, mikä tekee siitä niin hämmästyttävän materiaalin. Vaikka meillä on valitettavasti paljon mielikuvitusta, kun keksimme uusia ideoita grafeenin mahdollisista sovelluksista ja käyttötavoista, vaatii aikaa ymmärtää täysin, miten ja mitä grafeeni todella on, jotta voimme kehittää näitä ideoita todellisuudeksi. Tämä ei kuitenkaan välttämättä ole huono asia, sillä se antaa meille tilaisuuksia törmätä muihin aiemmin liian vähän tutkittuihin tai huomiotta jätettyihin supermateriaaleihin, kuten grafeenin synnyttämään 2D-kiderakenteiden perheeseen.