Elektroniska egenskaper
En av de mest användbara egenskaperna hos grafen är att det är en halvmetall med noll överlappning (med både hål och elektroner som laddningsbärare) med mycket hög elektrisk ledningsförmåga. Kolatomer har totalt 6 elektroner; 2 i det inre skalet och 4 i det yttre skalet. De fyra elektronerna i det yttre skalet i en enskild kolatom är tillgängliga för kemisk bindning, men i grafen är varje atom kopplad till tre andra kolatomer i det tvådimensionella planet, vilket gör att en elektron är fritt tillgänglig i den tredje dimensionen för elektronisk ledning. Dessa mycket rörliga elektroner kallas pi (π)-elektroner och finns ovanför och under grafenplattan. Dessa pi-orbitaler överlappar varandra och bidrar till att förstärka kol-till-kol-bindningarna i grafen. I grund och botten dikteras grafenets elektroniska egenskaper av bindningen och antibindningen (valans- och ledningsbanden) av dessa pi-orbitaler.
Kombinerad forskning under de senaste 50 åren har visat att vid Dirac-punkten i grafen har elektroner och hål noll effektiv massa. Detta inträffar eftersom relationen energi – rörelse (spektrumet för excitationer) är linjär för låga energier nära de 6 individuella hörnen av Brillouin-zonen. Dessa elektroner och hål är kända som Dirac fermioner, eller Graphinos, och de sex hörnen av Brillouinzonen är kända som Diracpunkterna. På grund av att tillståndstätheten är noll vid Diracpunkterna är den elektroniska ledningsförmågan faktiskt ganska låg. Fermi-nivån kan dock ändras genom dopning (med elektroner eller hål) för att skapa ett material som potentiellt är bättre på att leda elektricitet än till exempel koppar vid rumstemperatur.
Tester har visat att den elektroniska rörligheten hos grafen är mycket hög, med tidigare rapporterade resultat över 15 000 cm2-V-1-s-1 och teoretiskt möjliga gränser på 200 000 cm2-V-1-s-1 (begränsad av spridningen av grafenets akustiska fotoner). Det sägs att grafenelektroner agerar mycket likt fotoner i sin rörlighet på grund av att de saknar massa. Dessa laddningsbärare kan färdas på submikrometerlånga avstånd utan att spridas, ett fenomen som kallas ballistisk transport. Grafenets kvalitet och det substrat som används kommer dock att vara de begränsande faktorerna. Med kiseldioxid som substrat är rörligheten till exempel potentiellt begränsad till 40 000 cm2-V-1-s-1.
”När det gäller hur långt vi har kommit när det gäller att förstå grafenets verkliga egenskaper är detta bara toppen av isberget. Innan grafen integreras i stor utsträckning i de områden där vi tror att det kommer att utmärka sig måste vi ägna mycket mer tid åt att förstå vad som gör det till ett så fantastiskt material.”
Mekanisk styrka
En annan av grafenets utmärkande egenskaper är dess inneboende styrka. På grund av styrkan hos de 0,142 Nm långa kolbindningarna är grafen det starkaste material som någonsin har upptäckts, med en draghållfasthet på 130 000 000 000 000 Pascals (eller 130 gigapascal), jämfört med 400 000 000 000 för konstruktionsstål A36 eller 375 700 000 för aramid (Kevlar). Grafen är inte bara utomordentligt starkt, det är också mycket lätt, 0,77 milligram per kvadratmeter (som jämförelse kan nämnas att en kvadratmeter papper är ungefär 1 000 gånger tyngre). Det sägs ofta att ett enda ark grafen (som bara är 1 atom tjockt), tillräckligt stort för att täcka en hel fotbollsplan, skulle väga mindre än 1 enda gram.
Vad som gör detta särskilt speciellt är att grafen också har elastiska egenskaper, eftersom det kan behålla sin ursprungliga storlek efter påfrestningar. År 2007 utfördes AFM-tester (Atomic force microscopic) på grafenplattor som hängde över hålrum av silikondioxid. Dessa tester visade att grafenplattor (med en tjocklek på mellan 2 och 8 Nm) hade fjäderkonstanter i storleksordningen 1-5 N/m och en Young-modul (som skiljer sig från den för tredimensionell grafit) på 0,5 TPa. Återigen är dessa superlativa siffror baserade på teoretiska utsikter med hjälp av grafen som är ofullkomligt och inte innehåller några som helst brister och som för närvarande är mycket dyrt och svårt att reproducera på konstgjord väg, även om produktionsteknikerna stadigt förbättras, vilket i slutändan minskar kostnaderna och komplexiteten.
Optiska egenskaper
Grafenens förmåga att absorbera en ganska stor andel av vitt ljus, nämligen 2,3 %, är också en unik och intressant egenskap, särskilt med tanke på att det bara är 1 atom tjockt. Detta beror på dess tidigare nämnda elektroniska egenskaper; elektronerna agerar som masslösa laddningsbärare med mycket hög rörlighet. För några år sedan bevisades det att mängden vitt ljus som absorberas baseras på finstrukturkonstanten, snarare än att den dikteras av materialspecifika egenskaper. Genom att lägga till ytterligare ett lager grafen ökar mängden absorberat vitt ljus med ungefär samma värde (2,3 %). Grafens opacitet på πα ≈ 2,3 % motsvarar ett universellt dynamiskt konduktivitetsvärde på G=e2/4ℏ (±2-3 %) i det synliga frekvensområdet.
Läs mer om Grapheneas nya sortiment av fälteffekttransistorer av grafen för biosensorer här.
På grund av dessa imponerande egenskaper har man observerat att när den optiska intensiteten når en viss tröskel (känd som mättnadsfluens) sker mättnadsabsorption (ljus med mycket hög intensitet orsakar en minskning av absorptionen). Detta är en viktig egenskap när det gäller modelockning av fiberlasrar. På grund av grafenets egenskaper för våglängdsokänslig ultrasnabb mättbar absorption har man lyckats uppnå fullbandig lägeslåsning med hjälp av en erbiumdopad dissipativ solitonfiberlaser som kan uppnå en våglängdsavstämning så stor som 30 nm.
Om hur långt vi har kommit när det gäller att förstå grafenets verkliga egenskaper, är detta bara toppen av isberget. Innan grafen integreras i hög grad i de områden där vi tror att det kommer att utmärka sig, måste vi ägna mycket mer tid åt att förstå precis vad som gör det till ett så fantastiskt material. Även om vi har mycket fantasi när det gäller att komma på nya idéer om potentiella tillämpningar och användningsområden för grafen, tar det tyvärr tid att fullt ut förstå hur och vad grafen verkligen är för att kunna utveckla dessa idéer till verklighet. Detta är dock inte nödvändigtvis en dålig sak, eftersom det ger oss möjligheter att snubbla över andra tidigare underutforskade eller förbisedda supermaterial, som t.ex. den familj av 2D-kristallina strukturer som grafen har fött.