Elektronische Eigenschaften
Eine der nützlichsten Eigenschaften von Graphen ist, dass es ein überlappungsfreies Halbmetall (mit sowohl Löchern als auch Elektronen als Ladungsträger) mit sehr hoher elektrischer Leitfähigkeit ist. Kohlenstoffatome haben insgesamt 6 Elektronen, 2 in der inneren Schale und 4 in der äußeren Schale. Die 4 Elektronen der äußeren Schale eines einzelnen Kohlenstoffatoms stehen für chemische Bindungen zur Verfügung, aber in Graphen ist jedes Atom mit drei anderen Kohlenstoffatomen in der zweidimensionalen Ebene verbunden, so dass ein Elektron in der dritten Dimension für die elektronische Leitung frei verfügbar ist. Diese hochbeweglichen Elektronen werden als pi (π)-Elektronen bezeichnet und befinden sich über und unter der Graphenschicht. Diese pi-Orbitale überlappen sich und tragen zur Verstärkung der Kohlenstoff-Kohlenstoff-Bindungen in Graphen bei. Die elektronischen Eigenschaften von Graphen werden im Wesentlichen von den Bindungen und Antibindungen (den Valenz- und Leitungsbändern) dieser pi-Orbitale bestimmt.
Die kombinierte Forschung der letzten 50 Jahre hat bewiesen, dass Elektronen und Löcher am Dirac-Punkt in Graphen eine effektive Masse von Null haben. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Energie-Bewegungs-Beziehung (das Spektrum für Anregungen) für niedrige Energien in der Nähe der 6 einzelnen Ecken der Brillouin-Zone linear ist. Diese Elektronen und Löcher werden als Dirac-Fermionen oder Graphinos bezeichnet, und die 6 Ecken der Brillouin-Zone werden als Dirac-Punkte bezeichnet. Da die Zustandsdichte an den Dirac-Punkten gleich Null ist, ist die elektronische Leitfähigkeit eigentlich recht gering. Das Fermi-Niveau kann jedoch durch Dotierung (mit Elektronen oder Löchern) verändert werden, um ein Material zu schaffen, das Elektrizität potenziell besser leitet als z. B. Kupfer bei Raumtemperatur.
Tests haben gezeigt, dass die elektronische Mobilität von Graphen sehr hoch ist, mit zuvor berichteten Ergebnissen von über 15.000 cm2-V-1-s-1 und theoretisch möglichen Grenzen von 200.000 cm2-V-1-s-1 (begrenzt durch die Streuung der akustischen Photonen von Graphen). Es heißt, dass sich Graphenelektronen aufgrund ihrer fehlenden Masse in ihrer Mobilität ähnlich wie Photonen verhalten. Diese Ladungsträger sind in der Lage, Distanzen im Submikrometerbereich ohne Streuung zurückzulegen; ein Phänomen, das als ballistischer Transport bekannt ist. Allerdings sind die Qualität des Graphens und das verwendete Substrat die begrenzenden Faktoren. Bei Siliziumdioxid als Substrat beispielsweise ist die Mobilität potenziell auf 40.000 cm2-V-1-s-1 begrenzt.
„In Bezug auf die Frage, wie weit wir mit dem Verständnis der wahren Eigenschaften von Graphen sind, ist dies nur die Spitze des Eisbergs. Bevor Graphen in großem Umfang in die Bereiche integriert wird, in denen es sich unserer Meinung nach auszeichnen wird, müssen wir noch viel mehr Zeit darauf verwenden zu verstehen, was es zu einem so erstaunlichen Material macht.“
Mechanische Festigkeit
Eine weitere herausragende Eigenschaft von Graphen ist seine inhärente Festigkeit. Aufgrund der Stärke seiner 0,142 Nm langen Kohlenstoffbindungen ist Graphen das stärkste jemals entdeckte Material mit einer Zugfestigkeit von 130.000.000.000 Pascal (oder 130 Gigapascal), verglichen mit 400.000.000 für Baustahl A36 oder 375.700.000 für Aramid (Kevlar). Graphen ist nicht nur außerordentlich stark, sondern mit 0,77 Milligramm pro Quadratmeter auch sehr leicht (zum Vergleich: 1 Quadratmeter Papier ist etwa 1000 Mal schwerer). Es wird oft behauptet, dass ein einziges Blatt Graphen (das nur ein Atom dick ist), das groß genug ist, um ein ganzes Fußballfeld zu bedecken, weniger als ein einziges Gramm wiegen würde.
Das Besondere daran ist, dass Graphen auch elastische Eigenschaften besitzt und in der Lage ist, seine ursprüngliche Größe nach Belastung beizubehalten. Im Jahr 2007 wurden rasterkraftmikroskopische (AFM) Tests an Graphenblättern durchgeführt, die über Silikondioxid-Hohlräumen aufgehängt waren. Diese Tests zeigten, dass Graphenblätter (mit Dicken zwischen 2 und 8 Nm) Federkonstanten im Bereich von 1-5 N/m und einen Elastizitätsmodul (anders als bei dreidimensionalem Graphit) von 0,5 TPa aufweisen. Auch diese Zahlen der Superlative beruhen auf theoretischen Aussichten unter Verwendung von Graphen, das keinerlei Unvollkommenheiten aufweist und derzeit sehr teuer und schwer künstlich zu reproduzieren ist, obwohl die Produktionstechniken ständig verbessert werden, um letztendlich die Kosten und die Komplexität zu verringern.
Optische Eigenschaften
Die Fähigkeit von Graphen, 2,3 % des weißen Lichts zu absorbieren, ist ebenfalls eine einzigartige und interessante Eigenschaft, insbesondere wenn man bedenkt, dass es nur ein Atom dick ist. Dies ist auf die bereits erwähnten elektronischen Eigenschaften zurückzuführen; die Elektronen verhalten sich wie masselose Ladungsträger mit sehr hoher Beweglichkeit. Vor einigen Jahren wurde nachgewiesen, dass die Menge des absorbierten weißen Lichts von der Feinstrukturkonstante abhängt und nicht von den Materialeigenschaften bestimmt wird. Durch Hinzufügen einer weiteren Graphenschicht erhöht sich die Menge des absorbierten weißen Lichts um ungefähr den gleichen Wert (2,3 %). Die Opazität von Graphen von πα ≈ 2,3 % entspricht einem universellen dynamischen Leitfähigkeitswert von G=e2/4ℏ (±2-3 %) über den sichtbaren Frequenzbereich.
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Aufgrund dieser beeindruckenden Eigenschaften wurde beobachtet, dass, sobald die optische Intensität einen bestimmten Schwellenwert erreicht (bekannt als Sättigungsfluenz), eine sättigbare Absorption stattfindet (Licht mit sehr hoher Intensität bewirkt eine Verringerung der Absorption). Dies ist eine wichtige Eigenschaft im Hinblick auf die Modenkopplung von Faserlasern. Aufgrund der wellenlängenunempfindlichen, ultraschnellen, sättigbaren Absorption von Graphen wurde mit einem Erbium-dotierten, dissipativen Soliton-Faserlaser, der eine Wellenlängenabstimmung von bis zu 30 nm ermöglicht, eine Vollband-Modenkopplung erreicht.
Wenn man bedenkt, wie weit wir mit dem Verständnis der wahren Eigenschaften von Graphen sind, ist dies nur die Spitze des Eisbergs. Bevor Graphen in großem Umfang in die Bereiche integriert wird, in denen wir glauben, dass es sich auszeichnen wird, müssen wir noch viel mehr Zeit darauf verwenden, zu verstehen, was es zu einem so erstaunlichen Material macht. Leider haben wir zwar viel Fantasie, wenn es darum geht, neue Ideen für potenzielle Anwendungen und Verwendungszwecke von Graphen zu entwickeln, aber es dauert seine Zeit, bis wir vollständig verstehen, wie und was Graphen wirklich ist, damit wir diese Ideen in die Realität umsetzen können. Das ist jedoch nicht unbedingt schlecht, denn es gibt uns die Möglichkeit, über andere, bisher wenig erforschte oder übersehene Supermaterialien zu stolpern, wie die Familie der 2D-Kristallstrukturen, die Graphen hervorgebracht hat.