Elektronische eigenschappen
Een van de meest nuttige eigenschappen van grafeen is dat het een nul-overlap halfmetaal is (met zowel gaten als elektronen als ladingsdragers) met een zeer hoog elektrisch geleidingsvermogen. Koolstofatomen hebben in totaal 6 elektronen; 2 in de binnenste schil en 4 in de buitenste schil. De 4 elektronen in de buitenste schil van een individueel koolstofatoom zijn beschikbaar voor chemische binding, maar in grafeen is elk atoom verbonden met 3 andere koolstofatomen op het tweedimensionale vlak, waardoor 1 elektron vrij beschikbaar blijft in de derde dimensie voor elektronische geleiding. Deze zeer beweeglijke elektronen worden pi (π) elektronen genoemd en bevinden zich boven en onder de grafeenplaat. Deze pi orbitalen overlappen elkaar en helpen om de koolstof-koolstof bindingen in grafeen te versterken. In wezen worden de elektronische eigenschappen van grafeen bepaald door de binding en anti-binding (de valantie- en geleidingsbanden) van deze pi-orbitalen.
Gecombineerd onderzoek in de afgelopen 50 jaar heeft aangetoond dat in het Dirac-punt in grafeen, elektronen en gaten nul effectieve massa hebben. Dit gebeurt omdat de energie-bewegingsrelatie (het spectrum voor excitaties) lineair is voor lage energieën in de buurt van de 6 afzonderlijke hoeken van de Brillouin-zone. Deze elektronen en gaten staan bekend als Dirac fermionen, of Graphino’s, en de 6 hoeken van de Brillouin-zone staan bekend als de Dirac-punten. Omdat de toestandsdichtheid in de Dirac punten nul is, is het elektronische geleidingsvermogen eigenlijk vrij laag. Het Fermi-niveau kan echter worden veranderd door dotering (met elektronen of gaten), zodat een materiaal ontstaat dat mogelijk beter elektriciteit geleidt dan bijvoorbeeld koper bij kamertemperatuur.
Proeven hebben aangetoond dat de elektronische mobiliteit van grafeen zeer hoog is, met eerder gerapporteerde resultaten boven de 15.000 cm2-V-1-s-1 en theoretisch potentiële grenzen van 200.000 cm2-V-1-s-1 (beperkt door de verstrooiing van de akoestische fotonen van grafeen). Men zegt dat de elektronen van grafeen door hun gebrek aan massa in hun mobiliteit veel op fotonen lijken. Deze ladingsdragers kunnen submicrometerafstanden afleggen zonder verstrooiing; een fenomeen dat bekend staat als ballistisch transport. De kwaliteit van het grafeen en het gebruikte substraat zijn echter de beperkende factoren. Met siliciumdioxide als substraat is de mobiliteit bijvoorbeeld potentieel beperkt tot 40.000 cm2-V-1-s-1.
“In termen van hoe ver we zijn met het begrijpen van de werkelijke eigenschappen van grafeen, is dit nog maar het topje van de ijsberg. Voordat grafeen op grote schaal wordt geïntegreerd in de gebieden waarin het volgens ons zal uitblinken, moeten we nog veel meer tijd besteden aan het begrijpen van wat het nu precies zo’n verbazingwekkend materiaal maakt.”
Mechanische sterkte
Een andere opvallende eigenschap van grafeen is de inherente sterkte. Dankzij de sterkte van de 0,142 Nm lange koolstofverbindingen is grafeen het sterkste materiaal dat ooit is ontdekt, met een treksterkte van 130.000.000.000 Pascals (of 130 gigapascal), vergeleken met 400.000.000 voor A36 constructiestaal, of 375.700.000 voor Aramide (Kevlar). Grafeen is niet alleen buitengewoon sterk, het is met 0,77 milligram per vierkante meter ook heel licht (ter vergelijking: 1 vierkante meter papier is ruwweg 1000 keer zwaarder). Er wordt vaak gezegd dat een enkel vel grafeen (dat slechts 1 atoom dik is), dat groot genoeg is om een heel voetbalveld te bedekken, minder dan 1 gram zou wegen.
Wat dit bijzonder maakt is dat grafeen ook elastische eigenschappen heeft, het is in staat om zijn oorspronkelijke grootte te behouden na rek. In 2007 werden Atomic force microscopic (AFM) tests uitgevoerd op grafeenvellen die over siliciumdioxideholtes werden gehangen. Uit deze tests bleek dat grafeenvellen (met diktes tussen 2 en 8 Nm) veerconstanten hadden in de orde van 1-5 N/m en een elasticiteitsmodulus (verschillend van die van driedimensionaal grafiet) van 0,5 TPa. Nogmaals, deze superlatieve cijfers zijn gebaseerd op theoretische vooruitzichten met gebruikmaking van grafeen dat geen enkele onvolkomenheid bevat en momenteel zeer duur en moeilijk kunstmatig te reproduceren is, hoewel de productietechnieken gestaag verbeteren, waardoor uiteindelijk de kosten en de complexiteit afnemen.
Optische eigenschappen
Grafeen’s vermogen om een vrij grote 2,3% van het witte licht te absorberen is ook een unieke en interessante eigenschap, vooral gezien het feit dat het slechts 1 atoom dik is. Dit is te danken aan de eerder genoemde elektronische eigenschappen; de elektronen gedragen zich als massaloze ladingsdragers met een zeer hoge mobiliteit. Enkele jaren geleden werd bewezen dat de hoeveelheid geabsorbeerd wit licht gebaseerd is op de fijnstructuurconstante, en niet op materiaalspecificaties. Door nog een laag grafeen toe te voegen, neemt de hoeveelheid geabsorbeerd wit licht toe met ongeveer dezelfde waarde (2,3%). De opaciteit van grafeen van πα ≈ 2,3% komt overeen met een universele dynamische geleidingswaarde van G=e2/4ℏ (±2-3%) in het zichtbare frequentiebereik.
Meer informatie over de nieuwe reeks grafeen-veldeffecttransistoren voor biosensoren van Graphenea vindt u hier.
Dankzij deze indrukwekkende eigenschappen is waargenomen dat zodra de optische intensiteit een bepaalde drempel bereikt (bekend als de verzadigingsflux), verzadigbare absorptie optreedt (licht met een zeer hoge intensiteit veroorzaakt een vermindering van de absorptie). Dit is een belangrijke eigenschap met betrekking tot de modus-locking van vezellasers. Door de eigenschappen van grafeen op het gebied van golflengte-ongevoelige ultrasnelle saturable absorptie, is full-band mode locking bereikt met behulp van een erbium-gedoteerde dissipatieve soliton vezellaser waarmee golflengteafstemming tot 30 nm kan worden verkregen.
In termen van hoe ver we zijn met het begrijpen van de werkelijke eigenschappen van grafeen, is dit nog maar het topje van de ijsberg. Voordat grafeen op grote schaal wordt geïntegreerd in de gebieden waarin het volgens ons zal uitblinken, moeten we veel meer tijd besteden aan het begrijpen van wat het nu precies zo’n verbazingwekkend materiaal maakt. Hoewel we over veel verbeeldingskracht beschikken bij het bedenken van nieuwe ideeën voor mogelijke toepassingen en gebruik van grafeen, kost het helaas tijd om volledig te begrijpen hoe en wat grafeen werkelijk is om deze ideeën tot werkelijkheid te maken. Dit is echter niet noodzakelijk een slechte zaak, want het geeft ons de kans om te struikelen over andere eerder onder-onderzochte of over het hoofd geziene super-materialen, zoals de familie van 2D-kristallijne structuren die grafeen heeft voortgebracht.