Elektronikai tulajdonságok
A grafén egyik leghasznosabb tulajdonsága, hogy egy nulla átfedéses félfém (lyukakkal és elektronokkal mint töltéshordozókkal), nagyon nagy elektromos vezetőképességgel. A szénatomok összesen 6 elektronnal rendelkeznek; 2 a belső héjban és 4 a külső héjban. Az egyes szénatomok 4 külső héjelektronja rendelkezésre áll a kémiai kötésekhez, de a grafénben minden egyes atom 3 másik szénatomhoz kapcsolódik a kétdimenziós síkban, így a harmadik dimenzióban 1 elektron szabadon rendelkezésre áll az elektronikus vezetéshez. Ezeket a rendkívül mozgékony elektronokat pi (π) elektronoknak nevezik, és a grafénlap felett és alatt helyezkednek el. Ezek a pi-orbitálisok átfedik egymást, és hozzájárulnak a grafénben a szén-szén kötések erősítéséhez. Alapvetően a grafén elektronikus tulajdonságait e pi-orbitálisok kötései és antikötései (a valencia- és vezetési sávok) határozzák meg.
Az elmúlt 50 év összesített kutatásai bebizonyították, hogy a grafén Dirac-pontjában az elektronok és lyukak effektív tömege nulla. Ez azért következik be, mert az energia – mozgás összefüggés (a gerjesztések spektruma) lineáris a Brillouin zóna 6 egyes sarkának közelében lévő alacsony energiáknál. Ezeket az elektronokat és lyukakat Dirac-fermionoknak vagy grafinóknak nevezzük, a Brillouin-zóna 6 sarkát pedig Dirac-pontoknak. A Dirac-pontok nulla állapotsűrűsége miatt az elektronikus vezetőképesség valójában meglehetősen alacsony. A Fermi-szint azonban (elektronokkal vagy lyukakkal történő) adalékolással megváltoztatható, így olyan anyagot hozhatunk létre, amely szobahőmérsékleten potenciálisan jobban vezeti az elektromosságot, mint például a réz.
A vizsgálatok kimutatták, hogy a grafén elektronikus mozgékonysága nagyon magas, a korábban közölt eredmények 15 000 cm2-V-1-s-1 fölött vannak, az elméletileg lehetséges határérték pedig 200 000 cm2-V-1-s-1 (amit a grafén akusztikus fotonjainak szórása korlátoz). Azt mondják, hogy a grafénelektronok a tömegük hiánya miatt mozgékonyságukban nagyon hasonlóan viselkednek a fotonokhoz. Ezek a töltéshordozók szóródás nélkül képesek szubmikrométeres távolságokat megtenni; ezt a jelenséget ballisztikus transzportnak nevezik. A grafén minősége és a felhasznált szubsztrát azonban korlátozó tényező lesz. Szilícium-dioxid mint szubsztrát esetén például a mobilitás potenciálisan 40 000 cm2-V-1-s-1-re korlátozódik.
“Ami azt illeti, hogy milyen messze vagyunk a grafén valódi tulajdonságainak megértésében, ez még csak a jéghegy csúcsa. Mielőtt a grafén nagymértékben beépülne azokra a területekre, amelyeken szerintünk kiemelkedő teljesítményt nyújt, sokkal több időt kell azzal töltenünk, hogy megértsük, mitől is olyan csodálatos anyag.”
Mechanikai szilárdság
A grafén másik kiemelkedő tulajdonsága a benne rejlő szilárdság. A 0,142 Nm hosszú szénkötéseinek szilárdsága miatt a grafén a valaha felfedezett legerősebb anyag, amelynek szakítószilárdsága 130.000.000.000 Pascal (vagy 130 gigapascal), szemben az A36 szerkezeti acél 400.000.000, vagy az Aramid (Kevlar) 375.700.000 szakítószilárdságával. A grafén nemcsak rendkívül erős, hanem nagyon könnyű is, 0,77 milligramm/négyzetméter (összehasonlításképpen: 1 négyzetméter papír nagyjából 1000-szer nehezebb). Gyakran mondják, hogy egyetlen grafénlap (mivel csak 1 atom vastagságú), amelynek mérete egy egész futballpálya lefedésére elegendő, súlya nem éri el az 1 grammot.
Azt teszi különösen különlegessé, hogy a grafén rugalmas tulajdonságokkal is rendelkezik, képes megtartani eredeti méretét a terhelést követően. 2007-ben atomerő-mikroszkópos (AFM) vizsgálatokat végeztek szilícium-dioxid-üregek fölé függesztett grafénlapokon. Ezek a vizsgálatok azt mutatták, hogy a grafénlapok (2 és 8 Nm közötti vastagsággal) 1-5 N/m közötti rugóállandóval és (a háromdimenziós grafitétól eltérő) 0,5 TPa Young-modullal rendelkeztek. Ismétlem, ezek a szuperlatív számok elméleti kilátásokon alapulnak, olyan grafén felhasználásával, amely hibátlan, semmilyen tökéletlenséget nem tartalmaz, és jelenleg nagyon drága és nehéz mesterségesen reprodukálni, bár az előállítási technikák folyamatosan javulnak, ami végül csökkenti a költségeket és a bonyolultságot.
Optikai tulajdonságok
A grafén azon képessége, hogy a fehér fény meglehetősen nagy, 2,3%-át képes elnyelni, szintén egyedülálló és érdekes tulajdonság, különösen ha figyelembe vesszük, hogy csak 1 atom vastagságú. Ez a fent említett elektronikus tulajdonságainak köszönhető; az elektronok tömeg nélküli töltéshordozóként viselkednek, nagyon nagy mobilitással. Néhány évvel ezelőtt bebizonyosodott, hogy a fehér fény elnyelésének mennyisége a finomszerkezeti állandón alapul, és nem az anyagi sajátosságok diktálják. Egy újabb grafénréteg hozzáadása körülbelül ugyanennyivel (2,3%) növeli az elnyelt fehér fény mennyiségét. A grafén πα ≈ 2,3%-os opacitása a látható frekvenciatartományban G=e2/4ℏ (±2-3%) univerzális dinamikus vezetőképességi értéknek felel meg.
Tudjon meg többet a Graphenea új, bioérzékelők számára készült grafén térhatású tranzisztorainak kínálatáról itt.
Ezeknek a lenyűgöző tulajdonságoknak köszönhetően megfigyelték, hogy amint az optikai intenzitás elér egy bizonyos küszöbértéket (az úgynevezett telítési fluencia), telíthető abszorpció következik be (a nagyon nagy intenzitású fény az abszorpció csökkenését okozza). Ez fontos jellemző a szálas lézerek üzemmód-lockolása szempontjából. A grafén hullámhossz-érzékeny, ultragyors telíthető abszorpcióra vonatkozó tulajdonságainak köszönhetően teljes sávú üzemmód-zárást értek el egy erbiummal adalékolt disszipatív szoliton szálas lézerrel, amely akár 30 nm-es hullámhossz-hangolást is képes elérni.
Az, hogy milyen messze vagyunk a grafén valódi tulajdonságainak megértésében, csak a jéghegy csúcsa. Mielőtt a grafén nagymértékben beépülne azokra a területekre, amelyeken úgy gondoljuk, hogy kiemelkedő teljesítményt fog nyújtani, sokkal több időt kell azzal töltenünk, hogy megértsük, mi teszi ezt az anyagot ilyen csodálatos anyaggá. Sajnos, bár nagy a fantáziánk a grafén lehetséges alkalmazásaira és felhasználására vonatkozó új ötletekkel kapcsolatban, ahhoz, hogy ezeket az ötleteket megvalósíthassuk, időre van szükségünk ahhoz, hogy teljesen megértsük, hogyan és mi is valójában a grafén. Ez azonban nem feltétlenül rossz dolog, mivel lehetőséget ad arra, hogy más, korábban kevéssé kutatott vagy figyelmen kívül hagyott szuperanyagokba botoljunk, például a grafén által megszületett 2D-s kristályos szerkezetek családjába.