Proprietăți electronice
Una dintre cele mai utile proprietăți ale grafenei este aceea că este un semimetal cu suprapunere zero (cu găuri și electroni ca purtători de sarcină) cu o conductivitate electrică foarte mare. Atomii de carbon au un total de 6 electroni; 2 în învelișul interior și 4 în învelișul exterior. Cei 4 electroni din învelișul exterior ai unui atom de carbon individual sunt disponibili pentru legături chimice, dar în grafenă, fiecare atom este conectat la alți 3 atomi de carbon în planul bidimensional, lăsând 1 electron liber disponibil în a treia dimensiune pentru conducție electronică. Acești electroni foarte mobili se numesc electroni pi (π) și sunt localizați deasupra și dedesubtul foii de grafenă. Acești orbitali pi se suprapun și ajută la intensificarea legăturilor dintre carbon și carbon în grafenă. În mod fundamental, proprietățile electronice ale grafenului sunt dictate de legăturile și antilegăturile (benzile de valență și de conducție) ale acestor orbitali pi.
Cercetarea combinată din ultimii 50 de ani a demonstrat că, în punctul Dirac din grafen, electronii și găurile au masa efectivă zero. Acest lucru se întâmplă deoarece relația energie – mișcare (spectrul pentru excitații) este liniară pentru energii scăzute în apropierea celor 6 colțuri individuale ale zonei Brillouin. Acești electroni și găuri sunt cunoscuți sub numele de fermioni Dirac, sau grafeni, iar cele 6 colțuri ale zonei Brillouin sunt cunoscute sub numele de puncte Dirac. Datorită densității zero a stărilor în punctele Dirac, conductivitatea electronică este de fapt destul de scăzută. Cu toate acestea, nivelul Fermi poate fi modificat prin dopaj (cu electroni sau găuri) pentru a crea un material care este potențial mai bun la conducerea electricității decât, de exemplu, cuprul la temperatura camerei.
Testările au arătat că mobilitatea electronică a grafenului este foarte mare, cu rezultate raportate anterior de peste 15.000 cm2-V-1-s-1 și limite teoretice potențiale de 200.000 cm2-V-1-s-1 (limitate de împrăștierea fotonilor acustici ai grafenului). Se spune că electronii din grafenă se comportă foarte asemănător cu fotonii în ceea ce privește mobilitatea lor, din cauza lipsei lor de masă. Acești purtători de sarcină sunt capabili să parcurgă distanțe submicrometrice fără a se împrăștia; un fenomen cunoscut sub numele de transport balistic. Cu toate acestea, calitatea grafenului și a substratului utilizat vor fi factorii limitativi. Cu dioxid de siliciu ca substrat, de exemplu, mobilitatea este potențial limitată la 40.000 cm2-V-1-s-1.
„În ceea ce privește stadiul în care ne aflăm în ceea ce privește înțelegerea adevăratelor proprietăți ale grafenului, acesta este doar vârful icebergului. Înainte ca grafenul să fie puternic integrat în domeniile în care credem că va excela, trebuie să petrecem mult mai mult timp pentru a înțelege exact ceea ce îl face să fie un material atât de uimitor”
Rezistența mecanică
O altă proprietate remarcabilă a grafenului este rezistența sa inerentă. Datorită rezistenței legăturilor sale de carbon cu o lungime de 0,142 Nm, grafenul este cel mai puternic material descoperit vreodată, cu o rezistență la tracțiune de 130.000.000.000.000 de pascali (sau 130 gigapascali), comparativ cu 400.000.000 pentru oțelul structural A36 sau 375.700.000 pentru aramidă (Kevlar). Nu numai că grafenul este extraordinar de rezistent, dar este și foarte ușor, cu 0,77 miligrame pe metru pătrat (pentru comparație, 1 metru pătrat de hârtie este de aproximativ 1.000 de ori mai greu). Se spune adesea că o singură foaie de grafenă (având o grosime de numai 1 atom), cu o dimensiune suficientă pentru a acoperi un întreg teren de fotbal, ar cântări sub 1 singur gram.
Ceea ce face acest lucru deosebit de special este că grafenul conține și proprietăți elastice, putându-și păstra dimensiunea inițială după tensionare. În 2007, au fost efectuate teste la microscopul cu forță atomică (AFM) pe foi de grafenă care au fost suspendate peste cavități de dioxid de silicon. Aceste teste au arătat că foile de grafenă (cu grosimi cuprinse între 2 și 8 Nm) aveau constante elastice în jurul valorii de 1-5 N/m și un modul Young (diferit de cel al grafitului tridimensional) de 0,5 TPa. Din nou, aceste cifre superlative se bazează pe perspectivele teoretice folosind grafenul care nu conține niciun fel de imperfecțiuni și care, în prezent, este foarte scump și dificil de reprodus în mod artificial, deși tehnicile de producție se îmbunătățesc constant, reducând în cele din urmă costurile și complexitatea.
Proprietăți optice
Capacitatea grafenului de a absorbi un procent destul de mare de 2,3% din lumina albă este, de asemenea, o proprietate unică și interesantă, mai ales având în vedere că are o grosime de numai 1 atom. Acest lucru se datorează proprietăților sale electronice menționate mai sus; electronii acționând ca niște purtători de sarcină fără masă cu o mobilitate foarte mare. În urmă cu câțiva ani, s-a demonstrat că cantitatea de lumină albă absorbită se bazează pe constanta de structură fină, mai degrabă decât să fie dictată de particularitățile materialului. Adăugarea unui alt strat de grafenă crește cantitatea de lumină albă absorbită cu aproximativ aceeași valoare (2,3%). Opacitatea grafenei de πα ≈ 2,3% echivalează cu o valoare de conductivitate dinamică universală de G=e2/4ℏ (±2-3%) în gama de frecvențe vizibile.
Aflați mai multe despre noua gamă Graphenea de tranzistoare cu efect de câmp cu grafene pentru biosenzori aici.
Datorită acestor caracteristici impresionante, s-a observat că, odată ce intensitatea optică atinge un anumit prag (cunoscut sub numele de fluență de saturație), are loc o absorbție saturabilă (lumina de intensitate foarte mare determină o reducere a absorbției). Aceasta este o caracteristică importantă în ceea ce privește blocarea modală a laserelor cu fibră optică. Datorită proprietăților grafenei de absorbție saturabilă ultrarapidă insensibilă la lungimea de undă, a fost realizată blocarea modului în bandă completă cu ajutorul unui laser cu fibră cu solitoni disipativi dopați cu erbiu, capabil să obțină un reglaj al lungimii de undă de până la 30 nm.
În ceea ce privește stadiul în care ne aflăm în ceea ce privește înțelegerea adevăratelor proprietăți ale grafenei, acesta este doar vârful icebergului. Înainte ca grafenul să fie puternic integrat în domeniile în care credem că va excela, trebuie să petrecem mult mai mult timp pentru a înțelege ce anume îl face un material atât de uimitor. Din nefericire, deși avem multă imaginație în a veni cu idei noi pentru potențiale aplicații și utilizări ale grafenului, este nevoie de timp pentru a aprecia pe deplin cum și ce este cu adevărat grafenul pentru a dezvolta aceste idei în realitate. Cu toate acestea, acest lucru nu este neapărat un lucru rău, deoarece ne oferă oportunitatea de a ne împiedica de alte supermateriale anterior insuficient cercetate sau trecute cu vederea, cum ar fi familia de structuri cristaline 2D pe care grafenul le-a născut.
.