Grafen

Grafen, karbon atomlarından oluşan atomik ölçekte altıgen bir kafestir. ⓘ

Grafen (/ˈɡræfiːn/), iki boyutlu bir bal peteği kafes nanoyapısında düzenlenmiş tek bir atom katmanından oluşan bir karbon allotropudur. Bu isim, karbonun grafit allotropunun çok sayıda çift bağ içerdiği gerçeğini yansıtan "grafit" ve -ene son ekinden türetilmiştir. ⓘ

Bir grafen tabakasındaki her atom, en yakın üç komşusuna güçlü bir σ bağı ile bağlanır ve tüm tabaka boyunca uzanan bir elektron değerlik bandına katkıda bulunur. Bu, karbon nanotüplerde ve polisiklik aromatik hidrokarbonlarda ve (kısmen) fullerenlerde ve camsı karbonda görülen aynı bağ türüdür. Değerlik bandına bir iletim bandı dokunur, bu da grafeni kütlesiz göreceli parçacıklar için teoriler tarafından en iyi şekilde tanımlanan olağandışı elektronik özelliklere sahip bir yarı metal yapar. Grafendeki yük taşıyıcıları, enerjinin momentuma ikinci dereceden ziyade doğrusal bağımlılığını gösterir ve grafen ile alan etkili transistörler iki kutuplu iletim gösteren yapılabilir. Yük taşınımı uzun mesafelerde balistiktir; malzeme büyük kuantum salınımları ve büyük ve doğrusal olmayan diyamanyetizma sergiler. Grafen, düzlemi boyunca ısı ve elektriği çok verimli bir şekilde iletir. Malzeme, grafitin siyah rengini açıklayan tüm görünür dalga boylarındaki ışığı güçlü bir şekilde emer; ancak tek bir grafen tabakası, aşırı inceliği nedeniyle neredeyse şeffaftır. Malzeme, aynı kalınlıktaki en güçlü çelikten yaklaşık 100 kat daha güçlüdür. ⓘ

Asılı bir grafen membranın geçirgen ışıkta fotoğrafı. Bu bir atom kalınlığındaki malzeme, ışığın yaklaşık %2,3'ünü emdiği için çıplak gözle görülebiliyor. ⓘ

Bilim insanları grafenin potansiyel varlığını ve üretimini onlarca yıldır teorize ediyordu. Grafen muhtemelen yüzyıllardır kalem kullanımı ve grafitin diğer benzer uygulamaları yoluyla farkında olmadan küçük miktarlarda üretilmiştir. Muhtemelen 1962 yılında elektron mikroskoplarında gözlemlenmiş, ancak yalnızca metal yüzeylerde desteklenirken incelenmiştir. ⓘ

2004 yılında, malzeme Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından Manchester Üniversitesi'nde yeniden keşfedildi, izole edildi ve araştırıldı. Geim ve Novoselov, "iki boyutlu malzeme grafen ile ilgili çığır açan deneyleri" nedeniyle 2010 yılında Nobel Fizik Ödülü'ne layık görüldü. Yüksek kaliteli grafenin izole edilmesinin şaşırtıcı derecede kolay olduğu kanıtlandı. ⓘ

Grafen, olağanüstü yüksek gerilme mukavemeti, elektrik iletkenliği, şeffaflığı ve dünyadaki en ince iki boyutlu malzeme olması nedeniyle değerli ve kullanışlı bir nanomalzeme haline gelmiştir. Grafen için küresel pazar 2012 yılında 9 milyon dolardı ve talebin çoğu yarı iletken, elektronik, elektrikli piller ve kompozitlerde araştırma ve geliştirmeden kaynaklanıyordu. ⓘ

IUPAC (Uluslararası Saf ve Uygulamalı Kimya Birliği), üç boyutlu malzeme için "grafit" adının kullanılmasını ve "grafen" adının yalnızca reaksiyonlar, yapısal ilişkiler veya tek tek katmanların diğer özellikleri tartışıldığında kullanılmasını önermektedir. Daha dar bir tanım olan "izole veya serbest duran grafen", katmanın çevresinden yeterince izole edilmesini gerektirir, ancak silikon dioksit veya silikon karbüre asılı veya aktarılmış katmanları da içerir. ⓘ

Grafen ⓘ

Periyodik tablodaki en ilginç elementlerden biri Karbon atomudur. Karbonun grafit (kurşun kalem, katı yağlayıcılar vb.) ve elmas gibi gündelik hayattan çok iyi bilinen allotroplarının yanında nanotüp ve fulleren gibi yeni sentezlenen formları da mevcuttur. Özellikle karbon nanotüpler ve C₆₀ (fulleren) molekülleri ilk sentezlendikleri yıllardan günümüze kadar katı hal fiziğini son derece aktif araştırma alanları arasına girmiştir. Bal peteği kristal yapısında, sp² melezleşmesi yapan; grafitin, nanotübün ve C₆₀'ın ana yapıtaşı olan grafen ise ancak 2004 yılında sentezlenebilmiştir. İngilizce'de "Graphite" ve "ene" kelimelerinden türetilen "graphene" terimi türkçede grafen olarak karşılık bulmuştur. 2010 Nobel Fizik Ödülü, "iki-boyutlu grafen malzemesine ilişkin çığır açan deneyleri için" Andre Geim ve Konstantin Novoselov'a verilmiştir. ⓘ

Tarihçe

Bir parça grafit, bir grafen transistör ve bir bant dağıtıcı. Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından 2010 yılında Stockholm'deki Nobel Müzesi'ne bağışlanmıştır. ⓘ

Grafit ve interkalasyon bileşiklerinin yapısı

1859'da Benjamin Brodie, termal olarak indirgenmiş grafit oksidin oldukça lamelli yapısına dikkat çekti. 1916'da Peter Debye ve Paul Scherrer grafitin yapısını toz X-ışını kırınımı ile belirlediler. Yapı, 1918 yılında V. Kohlschütter ve P. Haenni tarafından daha ayrıntılı olarak incelenmiş ve grafit oksit kağıdının özellikleri de tanımlanmıştır. Yapısı 1924 yılında tek kristal kırınımından belirlenmiştir. ⓘ

Grafen teorisi ilk olarak 1947 yılında P. R. Wallace tarafından 3D grafitin elektronik özelliklerini anlamak için bir başlangıç noktası olarak araştırılmıştır. Ortaya çıkan kütlesiz Dirac denklemi ilk kez 1984 yılında Gordon Walter Semenoff ve David P. DiVincenzo ve Eugene J. Mele tarafından ayrı ayrı belirtilmiştir. Semenoff, Dirac noktasında tam olarak bir elektronik Landau seviyesinin manyetik alanda meydana geldiğini vurgulamıştır. Bu seviye anormal tamsayı kuantum Hall etkisinden sorumludur. ⓘ

İnce grafit katmanların ve ilgili yapıların gözlemleri

Birkaç grafen katmanından oluşan ince grafit örneklerinin transmisyon elektron mikroskobu (TEM) görüntüleri 1948 yılında G. Ruess ve F. Vogt tarafından yayınlanmıştır. Sonunda, tek katmanlar da doğrudan gözlemlendi. Tek grafit tabakaları, özellikle kimyasal pul pul dökülme ile elde edilen kurum içinde olmak üzere, yığın malzemeler içinde iletim elektron mikroskobu ile de gözlemlenmiştir. ⓘ

1961-1962 yıllarında Hanns-Peter Boehm son derece ince grafit pulları üzerine bir çalışma yayınladı ve varsayımsal tek katmanlı yapı için "grafen" terimini ortaya attı. Bu makale, ~0,4 nm'ye veya 3 atomik amorf karbon katmanına kadar ek bir kontrast eşdeğeri veren grafitik pulları bildirmektedir. Bu, 1960 TEM'leri için mümkün olan en iyi çözünürlüktü. Ancak, ne o zaman ne de bugün bu pullarda kaç katman olduğunu tartışmak mümkün değildir. Artık grafenin TEM kontrastının büyük ölçüde odaklama koşullarına bağlı olduğunu biliyoruz. Örneğin, askıdaki tek katmanlı ve çok katmanlı grafeni TEM kontrastlarından ayırt etmek imkansızdır ve bilinen tek yol çeşitli kırınım noktalarının göreceli yoğunluklarını analiz etmektir. Tek tabakaların ilk güvenilir TEM gözlemleri muhtemelen Refs. Geim ve Novoselov'un 2007 tarihli derlemesinin 24 ve 26. sayfalarında verilmiştir. ⓘ

1970'lerden başlayarak, C. Oshima ve diğerleri, diğer malzemelerin üzerinde epitaksiyel olarak büyütülen tek karbon atomu katmanlarını tanımladılar. Bu "epitaksiyel grafen", serbest duran grafende olduğu gibi, sp²-bağlı karbon atomlarının tek atom kalınlığında hekzagonal kafesinden oluşur. Bununla birlikte, iki malzeme arasında önemli yük transferi ve bazı durumlarda alt tabaka atomlarının d-orbitalleri ile grafenin π orbitalleri arasında hibridizasyon vardır; bu da elektronik yapıyı serbest duran grafeninkine kıyasla önemli ölçüde değiştirir. ⓘ

"Grafen" terimi 1987 yılında, grafit interkalasyon bileşiklerinin bir bileşeni olarak, interkalant ve grafenin kristal tuzları olarak görülebilen tek grafit tabakalarını tanımlamak için tekrar kullanılmıştır. Ayrıca 1992 yılında R. Saito ve Mildred ve Gene Dresselhaus tarafından karbon nanotüplerin ve 2000 yılında S. Wang ve diğerleri tarafından polisiklik aromatik hidrokarbonların tanımlanmasında da kullanılmıştır. ⓘ

Mekanik eksfoliyasyon yoluyla ince grafit filmleri oluşturma çabaları 1990 yılında başlamıştır. İlk girişimlerde çekme yöntemine benzer eksfoliyasyon teknikleri kullanılmıştır. Kalınlığı 10 nm'ye kadar inen çok katmanlı örnekler elde edilmiştir. ⓘ

2002 yılında Robert B. Rutherford ve Richard L. Dudman, bir alt tabakaya yapıştırılmış bir grafit pulundan katmanları tekrar tekrar soyarak 0,00001 inç (2,5×10-7 metre) grafit kalınlığına ulaşarak grafen üretme yöntemi için ABD'de patent başvurusunda bulundu. Başarının anahtarı, doğru seçilmiş bir alt tabaka üzerinde grafenin yüksek verimli görsel olarak tanınmasıydı; bu da küçük ama fark edilebilir bir optik kontrast sağlıyordu. ⓘ

Aynı yıl Bor Z. Jang ve Wen C. Huang tarafından bir başka ABD patenti, eksfoliyasyon ve ardından yıpratmaya dayalı grafen üretme yöntemi için dosyalanmıştır. ⓘ

2014 yılında, mucit Larry Fullerton tek katmanlı grafen levhalar üretmek için bir sürecin patentini almıştır. ⓘ

Tam izolasyon ve karakterizasyon

Andre Geim ve Konstantin Novoselov Nobel Ödülleri basın toplantısında, İsveç Kraliyet Bilimler Akademisi, 2010. ⓘ

Grafen, 2004 yılında Manchester Üniversitesi'nde Andre Geim ve Konstantin Novoselov tarafından uygun bir şekilde izole edilmiş ve karakterize edilmiştir. Mikromekanik yarılma ya da Scotch bant tekniği olarak adlandırılan bir işlemle grafen katmanlarını yaygın bir yapışkan bantla grafitten çektiler. Grafen pulları daha sonra bir silikon plaka ("wafer") üzerindeki ince silikon dioksit (silika) tabakasına aktarıldı. Silika, grafeni elektriksel olarak izole etti ve onunla zayıf bir şekilde etkileşime girerek neredeyse yüksüz grafen katmanları sağladı. SiO'nun altındaki silikon
₂, grafendeki yük yoğunluğunu geniş bir aralıkta değiştirmek için bir "arka kapı" elektrodu olarak kullanılabilir. ⓘ

Bu çalışma, ikilinin 2010 yılında "iki boyutlu malzeme grafenle ilgili çığır açan deneyleri için" Nobel Fizik Ödülü'nü kazanmasıyla sonuçlandı. Bu yayın ve tanımladıkları şaşırtıcı derecede kolay hazırlama yöntemi, bir "grafen altına hücum" başlattı. Araştırma genişledi ve malzemenin kuantum mekanik, elektrik, kimyasal, mekanik, optik, manyetik vb. farklı istisnai özelliklerini keşfeden birçok farklı alt alana ayrıldı. ⓘ

Ticari uygulamaların araştırılması

2000'li yılların başından bu yana bir dizi şirket ve araştırma laboratuvarı grafenin ticari uygulamalarını geliştirmek için çalışmaktadır. Bu amaçla 2014 yılında Manchester Üniversitesi'nde 60 milyon GBP başlangıç fonuyla bir Ulusal Grafen Enstitüsü kurulmuştur. Kuzey Doğu İngiltere'de iki ticari üretici, Applied Graphene Materials ve Thomas Swan Limited üretime başlamıştır. Cambridge Nanosystems, Doğu Anglia'da büyük ölçekli bir grafen tozu üretim tesisidir. ⓘ

Yapı

Yapıştırma

Karbon orbitalleri 2s, 2p_x, 2p_y 1²0°'de üç ana lob ile hibrit orbital sp2'yi oluşturur. Kalan orbital, pz, grafen düzleminin dışına çıkmaktadır. ⓘ

Grafende sigma ve pi bağları. Sigma bağları sp² hibrit orbitallerinin örtüşmesinden kaynaklanırken, pi bağları çıkıntı yapan pz orbitalleri arasındaki tünellemeden ortaya çıkar. ⓘ

Bir grafen tabakasındaki her atomun dört dış kabuk elektronundan üçü, en yakın üç atomla paylaşılan ve σ-bağları oluşturan üç sp² hibrit orbitalini - s, p_x ve py orbitallerinin bir kombinasyonu - işgal eder. Bu bağların uzunluğu yaklaşık 0,142 nanometredir. ⓘ

Kalan dış kabuk elektronu, düzleme dik olarak yönlendirilmiş bir pz orbitalini işgal eder. Bu orbitaller, grafenin dikkate değer elektronik özelliklerinin çoğundan sorumlu olan iki yarı dolu serbest hareketli elektron bandı, π ve π∗ oluşturmak için birlikte hibritleşir. Hidrojenasyon entalpilerinden (ΔH_hydro) türetilen aromatik stabilizasyon ve sınırlayıcı boyutun son nicel tahminleri literatür raporlarıyla iyi bir uyum içindedir. ⓘ

Grafen tabakaları, 0,335 nm (3,35 Å) düzlemler arası aralığa sahip grafit oluşturmak üzere istiflenir. ⓘ

Katı formdaki grafen levhalar genellikle grafitin (002) katmanı için kırınımda kanıt gösterir. Bu durum bazı tek duvarlı nanoyapılar için de geçerlidir. Bununla birlikte, presolar grafit soğanlarının çekirdeğinde sadece (hk0) halkalarına sahip tabakasız grafen bulunmuştur. TEM çalışmaları, düz grafen tabakalarındaki kusurlarda yüzleşme gösterir ve bir eriyikten iki boyutlu kristalleşme için bir rol önerir. ⓘ

Geometri

Grafenin taramalı prob mikroskobu görüntüsü ⓘ

İzole edilmiş, tek katmanlı grafenin altıgen kafes yapısı, metalik bir ızgaranın çubukları arasında asılı grafen tabakalarının iletim elektron mikroskobu (TEM) ile doğrudan görülebilir Bu görüntülerden bazıları, düz tabakanın yaklaşık bir nanometre genliğinde bir "dalgalanma" göstermiştir. Bu dalgalanmalar, iki boyutlu kristallerin kararsızlığının bir sonucu olarak malzemeye içkin olabilir veya grafenin tüm TEM görüntülerinde görülen her yerde bulunan kirden kaynaklanabilir. Atomik çözünürlüklü görüntüler elde etmek için çıkarılması gereken fotorezist kalıntıları, TEM görüntülerinde gözlemlenen "adsorbatlar" olabilir ve gözlemlenen dalgalanmayı açıklayabilir. ⓘ

Altıgen yapı, silikon dioksit alt tabakalar üzerinde desteklenen grafenin taramalı tünelleme mikroskobu (STM) görüntülerinde de görülür Bu görüntülerde görülen dalgalanma, grafenin alt tabakanın kafesine uyumundan kaynaklanır ve içsel değildir. ⓘ

Kararlılık

Ab initio hesaplamaları, bir grafen tabakasının boyutu yaklaşık 20 nm'den küçükse termodinamik olarak kararsız olduğunu ve yalnızca 24.000 atomdan daha büyük moleküller için en kararlı fulleren (grafit içinde olduğu gibi) haline geldiğini göstermektedir. ⓘ

Özellikler

Elektronik

Grafenin elektronik bant yapısı. Değerlik ve iletim bantları altıgen Brillouin bölgesinin altı köşesinde buluşur ve doğrusal olarak dağılan Dirac konileri oluşturur. ⓘ

Grafen sıfır aralıklı bir yarı iletkendir, çünkü iletim ve valans bantları Dirac noktalarında buluşur. Dirac noktaları, momentum uzayında, Brillouin bölgesinin kenarında, üç noktadan oluşan iki eşdeğer olmayan kümeye bölünmüş altı konumdur. Bu iki küme K ve K' olarak etiketlenmiştir. Bu kümeler grafene gv = 2'lik bir vadi dejenerasyonu verir. Buna karşın, geleneksel yarı iletkenler için birincil ilgi noktası genellikle momentumun sıfır olduğu Γ'dur. Dört elektronik özellik onu diğer yoğun madde sistemlerinden ayırır. ⓘ

Bununla birlikte, düzlem içi yön artık sonsuz değil de sınırlıysa, elektronik yapısı değişecektir. Bunlar grafen nanoribonlar olarak adlandırılır. Eğer "zig-zag" ise, bant aralığı hala sıfır olacaktır. Eğer "armchair" ise, bant aralığı sıfır olmayacaktır. ⓘ

Grafenin altıgen kafesi, iç içe geçmiş iki üçgen kafes olarak düşünülebilir. Bu bakış açısı, sıkı bağlanma yaklaşımı kullanılarak tek bir grafit katmanının bant yapısını hesaplamak için başarıyla kullanılmıştır. ⓘ

Elektronik spektrum

Grafenin bal peteği örgüsü boyunca yayılan elektronlar kütlelerini etkin bir şekilde kaybederek spin-1/2 parçacıkları için Schrödinger denklemi yerine Dirac denkleminin 2D analogu ile tanımlanan yarı parçacıklar üretir. ⓘ

Dağılım ilişkisi

Katkılama etkisi ile elektronik bant yapısı ve Dirac konileri ⓘ

Yarılma tekniği, 2005 yılında Geim'in grubu ile Philip Kim ve Yuanbo Zhang tarafından grafende anormal kuantum Hall etkisinin ilk kez gözlemlenmesine doğrudan yol açtı. Bu etki, grafenin teorik olarak öngörülen Berry'nin kütlesiz Dirac fermiyonları fazının doğrudan kanıtını ve elektronların Dirac fermiyon doğasının ilk kanıtını sağladı. Bu etkiler 2003-2004 yıllarında Yakov Kopelevich, Igor A. Luk'yanchuk ve diğerleri tarafından yığın grafitte gözlemlenmişti. ⓘ

Atomlar grafen altıgen kafes üzerine yerleştirildiğinde, pz(π) orbitalleri ile s veya p_x ve py orbitalleri arasındaki örtüşme simetri gereği sıfırdır. Bu nedenle grafende π bantlarını oluşturan pz elektronları bağımsız olarak ele alınabilir. Bu π-bandı yaklaşımı içinde, geleneksel bir sıkı bağlanma modeli kullanarak, k dalga vektörüne sahip elektronların enerjisini üreten dağılım ilişkisi (yalnızca ilk en yakın komşu etkileşimleriyle sınırlıdır) ⓘ

$E(k_{x},k_{y})=\pm \,\gamma _{0}{\sqrt {1+4\cos ^{2}{{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}+4\cos {{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}\cdot \cos {{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}ak_{y}}}}$ ⓘ

En yakın komşu (π orbitalleri) atlama enerjisi γ₀ ≈ 2,8 eV ve örgü sabiti a ≈ 2,46 Å. İletim ve değerlik bantları sırasıyla farklı işaretlere karşılık gelir. Bu modelde atom başına bir pz elektronu ile valans bandı tamamen doluyken, iletim bandı boştur. İki bant, sıfır durum yoğunluğunun olduğu ancak bant boşluğunun olmadığı bölge köşelerinde (Brillouin bölgesindeki K noktası) temas eder. Grafen tabaka böylece yarı metalik (veya sıfır aralıklı yarı iletken) bir karakter sergiler, ancak aynı şey eğriliği nedeniyle bir karbon nanotüp içine sarılmış bir grafen tabaka için söylenemez. Altı Dirac noktasından ikisi bağımsızdır, geri kalanı ise simetri ile eşdeğerdir. K noktalarının yakınında enerji, göreli bir parçacığa benzer şekilde dalga vektörüne doğrusal olarak bağlıdır. Kafesin temel bir hücresi iki atomdan oluşan bir temele sahip olduğundan, dalga fonksiyonu etkin bir 2-spinor yapısına sahiptir. ⓘ

Sonuç olarak, düşük enerjilerde, gerçek spin ihmal edilse bile, elektronlar resmi olarak kütlesiz Dirac denklemine eşdeğer bir denklemle tanımlanabilir. Bu nedenle elektronlar ve delikler Dirac fermiyonları olarak adlandırılır. Bu sözde rölativistik tanımlama kiral limitle, yani M₀ kütlesinin yok olmasıyla sınırlıdır ve bu da ilginç ek özelliklere yol açar:

$v_{F}\,{\vec {\sigma }}\cdot \nabla \psi (\mathbf {r} )\,=\,E\psi (\mathbf {r} ).$ ⓘ

Burada v_F ~ 10⁶ m/s (.003 c) grafendeki Fermi hızıdır ve Dirac teorisindeki ışık hızının yerini alır; ${\vec {\sigma }}$ Pauli matrislerinin vektörüdür, $\psi (\mathbf {r} )$ elektronların iki bileşenli dalga fonksiyonu ve E ise enerjileridir. ⓘ

Elektronların doğrusal dağılım ilişkisini tanımlayan denklem şöyledir ⓘ

$E(q)=\hbar v_{F}q$ ⓘ

burada q dalga vektörü Brillouin bölgesi tepe noktası K'dan ölçülür, $q=\left|\mathbf {k} -\mathrm {K} \right|$ve enerji sıfırı Dirac noktası ile çakışacak şekilde ayarlanmıştır. Denklem, bal peteği kafesinin iki alt kafesini tanımlayan bir pseudospin matris formülü kullanır. ⓘ

Grafenin kristal yapısı Raman ve Rayleigh gibi yüksek çözünürlüklü mikroskopi yöntemleri ile incelenmiş ve bal peteği şeklindeki ağ örgüsü ıspatlanmıştır. Grafenin kristal yapısı Bravais örgüden değildir. Daha çok birim hücresinde 2 carbon atomu bulunduran üçgensel örgü kullanılarak ifade edilebilir. Ağ örgü vektörleri şöyle seçilebilir. ⓘ

burada a $\approx 1.42$ \AA \, karbon-karbon mesafesidir. Ters ağ örgü vektörleri ise şöyle gösterilebilir. ⓘ

Brillouin bölgesindeki iki K ve K' noktaları grafen için çok önemlidir. Bu noktaların koordinatları şöyle ifade edilebilir. ⓘ

Tek atomlu dalga yayılımı

Grafendeki elektron dalgaları tek atomlu bir katman içinde yayılır ve bu da onları yüksek κ dielektrikler, süper iletkenler ve ferromanyetikler gibi diğer malzemelerin yakınlığına duyarlı hale getirir. ⓘ

Ambipolar elektron ve delik taşınımı

Bir alan etkili grafen cihazındaki geçit voltajı pozitiften negatife değiştirildiğinde, iletim elektronlardan deliklere geçer. Yük taşıyıcı konsantrasyonu uygulanan voltajla orantılıdır. Grafen sıfır geçit voltajında nötrdür ve yük taşıyıcılarının azlığı nedeniyle direnç maksimum seviyededir. Taşıyıcılar enjekte edildiğinde özdirencin hızla düşmesi, burada 5000 cm²/Vs mertebesinde olan yüksek hareketliliklerini gösterir. n-Si/SiO₂ substrat, T=1K. ⓘ

Grafen, oda sıcaklığında 15000 cm²⋅V-1⋅s-1'den fazla rapor edilen değerlerle dikkate değer elektron hareketliliği sergiler. Delik ve elektron hareketliliği neredeyse aynıdır. Hareketlilik 10 K ile 100 K arasındaki sıcaklıktan bağımsızdır ve oda sıcaklığında (300 K) bile çok az değişiklik gösterir, bu da baskın saçılma mekanizmasının kusur saçılması olduğu anlamına gelir. Grafenin akustik fononları tarafından saçılma, bağımsız grafende oda sıcaklığı hareketliliğini 10¹² cm-² taşıyıcı yoğunluğunda 200000 cm2⋅V-1⋅s-1 ile sınırlar. ⓘ

Grafen levhaların karşılık gelen direnci 10-6 Ω⋅cm olacaktır. Bu, oda sıcaklığında bilinen en düşük direnç olan gümüşün direncinden daha azdır. Ancak, SiO üzerinde
₂ substratlarda, elektronların substratın optik fononları tarafından saçılması, grafenin kendi fononları tarafından saçılmasından daha büyük bir etkidir. Bu da hareketliliği 40000 cm²⋅V-1⋅s-1 ile sınırlamaktadır. ⓘ

Yük taşıma, su ve oksijen molekülleri gibi kirleticilerin adsorpsiyonu nedeniyle büyük endişelere sahiptir. Bu da tekrarlamayan ve büyük histerezisli I-V karakteristiklerine yol açmaktadır. Araştırmacılar elektrik ölçümlerini vakumda gerçekleştirmelidir. Grafen yüzeyinin SiN, PMMA, h-BN gibi malzemelerle kaplanarak korunması araştırmacılar tarafından tartışılmıştır. Ocak 2015'te, yüzeyi alüminyum oksit ile korunan grafen için havada birkaç hafta boyunca çalışan ilk kararlı grafen cihazı rapor edilmiştir. 2015 yılında, lityum kaplı grafen, grafen için bir ilk olan süper iletkenlik sergilemiştir. ⓘ

Epitaksiyel grafenin 40 nanometre genişliğindeki nanoribonlarındaki elektrik direnci ayrı adımlarla değişmektedir. Şeritlerin iletkenliği tahminleri 10 kat aşıyor. Şeritler daha çok optik dalga kılavuzları veya kuantum noktaları gibi davranarak elektronların şerit kenarları boyunca düzgün bir şekilde akmasını sağlayabilir. Bakırda, elektronlar safsızlıklarla karşılaştıkça direnç uzunlukla orantılı olarak artar. ⓘ

Taşıma iki mod tarafından domine edilir. Biri balistik ve sıcaklıktan bağımsızdır, diğeri ise termal olarak aktive edilir. Balistik elektronlar silindirik karbon nanotüplerdekilere benzer. Oda sıcaklığında, direnç belirli bir uzunlukta aniden artar - balistik mod 16 mikrometrede ve diğeri 160 nanometrede (önceki uzunluğun %1'i). ⓘ

Grafen elektronları oda sıcaklığında bile saçılmadan mikrometre mesafeleri kat edebilir. ⓘ

Dirac noktalarının yakınındaki sıfır taşıyıcı yoğunluğuna rağmen grafen, aşağıdaki mertebelerde bir minimum iletkenlik sergiler $4e^{2}/h$. Bu minimum iletkenliğin kaynağı hala belirsizdir. Bununla birlikte, grafen tabakasının dalgalanması veya SiO'daki iyonize safsızlıklar
₂ substrat, iletime izin veren yerel taşıyıcı birikintilerine yol açabilir. Çeşitli teoriler minimum iletkenliğin şu şekilde olması gerektiğini öne sürmektedir $4e^{2}/{(\pi }h)$Bununla birlikte, ölçümlerin çoğu $4e^{2}/h$ veya daha büyüktür ve safsızlık konsantrasyonuna bağlıdır. ⓘ

Sıfır taşıyıcı yoğunluğuna yakın grafen pozitif fotoiletkenlik ve yüksek taşıyıcı yoğunluğunda negatif fotoiletkenlik sergiler. Bu, hem Drude ağırlığının hem de taşıyıcı saçılma oranının foto-indüklenmiş değişiklikleri arasındaki etkileşim tarafından yönetilir. ⓘ

Çeşitli gaz türleriyle (hem alıcılar hem de donörler) katkılanmış grafen, vakumda hafifçe ısıtılarak katkılanmamış bir duruma geri döndürülebilir. 10¹² cm-2'yi aşan dopant konsantrasyonları için bile taşıyıcı hareketliliği gözlemlenebilir bir değişiklik göstermez. Düşük sıcaklıkta ultra yüksek vakumda potasyum ile katkılanmış grafen hareketliliği 20 kat azaltabilir. Hareketlilik azalması, potasyumu çıkarmak için grafenin ısıtılmasıyla tersine çevrilebilir. ⓘ

Grafenin iki boyutu nedeniyle, yük fraksiyonalizasyonunun (düşük boyutlu sistemlerde bireysel sözde parçacıkların görünür yükünün tek bir kuantumdan daha az olduğu) meydana geldiği düşünülmektedir. Bu nedenle anyonik devreler kullanarak kuantum bilgisayarlar oluşturmak için uygun bir malzeme olabilir. ⓘ

Kiral yarım tamsayı kuantum Hall etkisi

Grafendeki Landau seviyeleri, N+1/2 olarak giden standart dizinin aksine, √N ile orantılı enerjilerde ortaya çıkar. ⓘ

Kuantum Hall etkisi, manyetik alan varlığında enine (ana akıma dik) iletkenlik üretimi olan Hall etkisinin kuantum mekaniksel bir versiyonudur. Hall etkisinin kuantizasyonu $\sigma _{xy}$ temel niceliğin tam sayı katlarında ("Landau seviyesi") $e^{2}/h$ (burada e temel elektrik yükü ve h Planck sabitidir). Genellikle sadece çok temiz silikon veya galyum arsenit katılarda, 3 K civarındaki sıcaklıklarda ve çok yüksek manyetik alanlarda gözlemlenebilir. ⓘ

Grafen, iletkenlik kuantizasyonu açısından kuantum Hall etkisini gösterir: etki, adım dizisinin standart diziye göre 1/2 oranında ve 4'lük ek bir faktörle kaydırılmasıyla sıra dışıdır. Grafenin Hall iletkenliği şöyledir $\sigma _{xy}=\pm {4\cdot \left(N+1/2\right)e^{2}}/h$Burada N, Landau seviyesidir ve çift vadi ve çift spin dejenerasyonları 4 faktörünü verir. Bu anomaliler sadece aşırı düşük sıcaklıklarda değil, aynı zamanda oda sıcaklığında, yani kabaca 20 °C'de (293 K) de mevcuttur. ⓘ

Bu davranış grafenin kiral, kütlesiz Dirac elektronlarının doğrudan bir sonucudur. Manyetik bir alanda, spektrumları tam olarak Dirac noktasında enerjiye sahip bir Landau seviyesine sahiptir. Bu seviye Atiyah-Singer indeks teoreminin bir sonucudur ve nötr grafende yarısı doludur, bu da Hall iletkenliğinde "+1/2" ye yol açar. İki katmanlı grafen de kuantum Hall etkisi gösterir, ancak iki anomaliden yalnızca biriyle (yani $\sigma _{xy}=\pm {4\cdot N\cdot e^{2}}/h$). İkinci anomalide, N=0'daki ilk plato yoktur, bu da iki katmanlı grafenin nötralite noktasında metalik kaldığını gösterir. ⓘ

Grafende kiral yarım tamsayı kuantum Hall etkisi. Enine iletkenlikteki platolar 4e²/h'nin yarım tamsayılarında ortaya çıkar. ⓘ

Normal metallerin aksine, grafenin boyuna direnci, Shubnikov-de Haas salınımlarının ölçümlerinde Landau dolum faktörünün integral değerleri için minimadan ziyade maksimum gösterir, bu nedenle integral kuantum Hall etkisi terimi kullanılır. Bu salınımlar Berry fazı olarak bilinen π faz kayması gösterir. Berry fazı, kiralite veya pseudospin kuantum sayısının Dirac noktaları yakınındaki düşük enerjili elektronların momentumuna bağımlılığı (kilitlenmesi) nedeniyle ortaya çıkar. Salınımların sıcaklığa bağımlılığı, Dirac-fermiyon formalizminde sıfır etkin kütlelerine rağmen taşıyıcıların sıfır olmayan bir siklotron kütlesine sahip olduğunu ortaya koymaktadır. ⓘ

Nikel filmler üzerinde ve silisyum karbürün hem silisyum yüzünde hem de karbon yüzünde hazırlanan grafen örnekleri, anormal etkiyi doğrudan elektriksel ölçümlerde göstermektedir. Silisyum karbürün karbon yüzündeki grafitik katmanlar, açı çözümlü fotoemisyon deneylerinde net bir Dirac spektrumu gösterir ve etki, siklotron rezonans ve tünelleme deneylerinde gözlemlenir. ⓘ

Güçlü manyetik alanlar

Yaklaşık 10 tesla'nın üzerindeki manyetik alanlarda Hall iletkenliğinin σ_xy = νe²/h'de ν = 0, ±1, ±4 ile ek platoları gözlenmiştir. Ayrıca ν = 3'te bir plato ve ν = 1/3'te kesirli kuantum Hall etkisi de rapor edilmiştir. ⓘ

ν = 0, ±1, ±3, ±4 ile yapılan bu gözlemler, Landau enerji seviyelerinin dört kat dejenerasyonunun (iki vadi ve iki spin serbestlik derecesi) kısmen veya tamamen kaldırıldığını göstermektedir. ⓘ

Casimir etkisi

Casimir etkisi, elektrodinamik vakumun dalgalanmaları tarafından kışkırtılan ayrık nötr cisimler arasındaki bir etkileşimdir. Matematiksel olarak, etkileşen cisimlerin yüzeylerindeki sınır (veya eşleşme) koşullarına açıkça bağlı olan elektromanyetik alanların normal modları dikkate alınarak açıklanabilir. Grafen/elektromanyetik alan etkileşimi bir atom kalınlığındaki bir malzeme için güçlü olduğundan, Casimir etkisi giderek daha fazla ilgi çekmektedir. ⓘ

Van der Waals kuvveti

Van der Waals kuvveti (ya da dağılma kuvveti) de alışılmadık bir durumdur ve olağan ters kuartik kuvvetin aksine ters kübik, asimptotik bir güç yasasına uyar. ⓘ

'Büyük' elektronlar

Grafenin birim hücresinde iki özdeş karbon atomu ve iki sıfır enerji durumu vardır: biri elektronun A atomunda bulunduğu, diğeri elektronun B atomunda bulunduğu durumdur. Hunt ve arkadaşları altıgen bor nitrürün (h-BN) grafen ile temas halinde yerleştirilmesinin A atomu ile B atomunda hissedilen potansiyeli elektronların bir kütle ve buna eşlik eden yaklaşık 30 meV [0,03 Elektron Volt (eV)] bant boşluğu geliştirmesine yetecek kadar değiştirebileceğini göstermiştir. ⓘ

Kütle pozitif ya da negatif olabilir. A atomundaki bir elektronun enerjisini B atomuna göre hafifçe yükselten bir düzenleme ona pozitif bir kütle verirken, B atomunun enerjisini yükselten bir düzenleme negatif bir elektron kütlesi üretir. İki versiyon da aynı şekilde davranır ve optik spektroskopi yoluyla ayırt edilemez. Pozitif kütleli bir bölgeden negatif kütleli bir bölgeye giden bir elektron, kütlesinin bir kez daha sıfır olduğu bir ara bölgeden geçmek zorundadır. Bu bölge boşluksuzdur ve bu nedenle metaliktir. Zıt işaretli kütleye sahip yarı iletken bölgeleri sınırlayan metalik modlar, topolojik bir fazın ayırt edici özelliğidir ve topolojik yalıtkanlarla hemen hemen aynı fiziği gösterir. ⓘ

Grafendeki kütle kontrol edilebilirse, elektronlar kütleli bölgelerle çevrelenerek kütlesiz bölgelere hapsedilebilir ve kuantum noktalarının, tellerin ve diğer mezoskopik yapıların desenlenmesine izin verir. Ayrıca sınır boyunca tek boyutlu iletkenler üretir. Bu teller geri saçılmaya karşı korunacak ve akımları dağılmadan taşıyabilecektir. ⓘ

Permitivite

Grafenin geçirgenliği frekansa göre değişir. Mikrodalgadan milimetre dalga frekanslarına kadar uzanan bir aralıkta kabaca 3,3'tür. Bu geçirgenlik, hem iletken hem de yalıtkan oluşturma kabiliyetiyle birleştiğinde, teorik olarak grafenden yapılmış kompakt kapasitörlerin büyük miktarlarda elektrik enerjisi depolayabileceği anlamına gelir. ⓘ

Optik

Grafenin benzersiz optik özellikleri, görünürden kızılötesine kadar ışığın πα ≈ %2,3'ünü emerek vakumda atomik bir tek katman için beklenmedik derecede yüksek bir opaklık üretir. Burada α ince yapı sabitidir. Bu, "Dirac noktasında birbiriyle buluşan elektron ve delik konik bantları içeren tek katmanlı grafenin alışılmadık düşük enerjili elektronik yapısının bir sonucudur... [ki] daha yaygın olan ikinci dereceden büyük bantlardan niteliksel olarak farklıdır." Grafitin Slonczewski-Weiss-McClure (SWMcC) bant modeline dayanarak, ince film limitinde Fresnel denklemleri kullanılarak optik iletkenlik hesaplandığında atomlar arası mesafe, atlama değeri ve frekans iptal olur. ⓘ

Deneysel olarak doğrulanmasına rağmen, ölçüm, ince yapı sabitini belirlemek için diğer teknikleri geliştirecek kadar hassas değildir. ⓘ

Çok Parametreli Yüzey Plazmon Rezonansı, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile büyütülmüş grafen filmlerin hem kalınlığını hem de kırılma indisini karakterize etmek için kullanılmıştır. Ölçülen kırılma indisi ve 670 nm (6.7×10-7 m) dalga boyundaki sönme katsayısı değerleri sırasıyla 3.135 ve 0.897'dir. Kalınlık, grafit kristallerinin katmandan katmana karbon atomu mesafesi için bildirilen 3.35Å ile uyumlu olan 0.5 mm'lik bir alandan 3.7Å olarak belirlenmiştir. Yöntem ayrıca grafenin organik ve inorganik maddelerle gerçek zamanlı etiketsiz etkileşimleri için de kullanılabilir. Ayrıca, karşılıklı olmayan grafen tabanlı jirotropik arayüzlerde tek yönlü yüzey plazmonlarının varlığı teorik olarak gösterilmiştir. Grafenin kimyasal potansiyelini etkin bir şekilde kontrol ederek, tek yönlü çalışma frekansı THz'den yakın kızılötesine ve hatta görünür hale kadar sürekli olarak ayarlanabilir. Özellikle, tek yönlü frekans bant genişliği, grafendeki son derece küçük etkin elektron kütlesinin üstünlüğünden kaynaklanan aynı manyetik alan altında metaldekinden 1-2 mertebe daha büyük olabilir. ⓘ

Grafenin bant aralığı, oda sıcaklığında çift kapılı çift katmanlı grafen alan etkili transistöre (FET) voltaj uygulanarak 0 ila 0,25 eV (yaklaşık 5 mikrometre dalga boyu) arasında ayarlanabilir. Grafen nanoribbonların optik tepkisi, uygulanan bir manyetik alanla terahertz rejimine ayarlanabilir. Grafen/grafen oksit sistemleri, hem doğrusal hem de ultra hızlı optik özelliklerin ayarlanmasına izin veren elektrokromik davranış sergiler. ⓘ

Grafen tabanlı bir Bragg ızgarası (tek boyutlu fotonik kristal) üretilmiş ve ışık kaynağı olarak 633 nm (6.33×10-7 m) He-Ne lazer kullanılarak periyodik yapıda yüzey elektromanyetik dalgalarının uyarılması kabiliyeti gösterilmiştir. ⓘ

Doyurulabilir emilim

Bu tür benzersiz emilim, giriş optik yoğunluğu bir eşik değerinin üzerinde olduğunda doygun hale gelebilir. Bu doğrusal olmayan optik davranış doyurulabilir emilim olarak adlandırılır ve eşik değeri doygunluk akısı olarak adlandırılır. Grafen, evrensel optik emilim ve sıfır bant boşluğu nedeniyle görünür ve yakın kızılötesi bölge üzerinde güçlü uyarım altında kolayca doyurulabilir. Bu, grafen bazlı doyurulabilir emici ile tam bant mod kilitlemesinin elde edildiği fiber lazerlerin mod kilitlemesi ile ilgilidir. Bu özelliğinden dolayı grafen, ultra hızlı fotonikte geniş bir uygulama alanına sahiptir. Dahası, grafen/grafen oksit katmanlarının optik tepkisi elektriksel olarak ayarlanabilmektedir. ⓘ

Grafende doyurulabilir soğurma, geniş bantlı optik soğurma özelliği sayesinde Mikrodalga ve Terahertz bandında gerçekleşebilir. Grafendeki mikrodalga doyurulabilir emilim, mikrodalga doyurulabilir emici, modülatör, polarizör, mikrodalga sinyal işleme ve geniş bant kablosuz erişim ağları gibi grafen mikrodalga ve terahertz fotonik cihazlarının olasılığını göstermektedir. ⓘ

Doğrusal olmayan Kerr etkisi

Daha yoğun lazer aydınlatması altında grafen, optik doğrusal olmayan Kerr etkisi nedeniyle doğrusal olmayan bir faz kaymasına da sahip olabilir. Tipik bir açık ve kapalı diyafram z-tarama ölçümüne dayanarak, grafen, 10-7 cm²⋅W-1'lik dev bir doğrusal olmayan Kerr katsayısına sahiptir, bu da toplu dielektriklerden neredeyse dokuz kat daha büyüktür. Bu, grafenin güçlü bir doğrusal olmayan Kerr ortamı olabileceğini ve en önemlisi soliton olan çeşitli doğrusal olmayan etkileri gözlemleme olasılığı olduğunu göstermektedir. ⓘ

Eksitonik

Grafen bazlı malzemelerin elektronik ve optik özelliklerini incelemek için kuasipartikül düzeltmeleri ve çok cisim etkileri ile ilk prensip hesaplamaları yapılmıştır. Yaklaşım üç aşama olarak tanımlanmaktadır. GW hesaplamasıyla, yığın grafen, nanoribbonlar, kenar ve yüzey işlevselleştirilmiş armchair oribbonlar, hidrojen doymuş armchair şeritler, tek lokalize kusurlu grafen SNS bağlantılarında Josephson etkisi ve armchair şerit ölçekleme özellikleri dahil olmak üzere grafen bazlı malzemelerin özellikleri doğru bir şekilde araştırılmıştır. ⓘ

Spin taşınımı

Grafenin, küçük spin-yörünge etkileşimi ve karbonda nükleer manyetik momentlerin yok denecek kadar az olması (ayrıca zayıf bir hiperfine etkileşimi) nedeniyle spintronik için ideal bir malzeme olduğu iddia edilmektedir. Elektriksel spin akımı enjeksiyonu ve tespiti oda sıcaklığına kadar gösterilmiştir. Oda sıcaklığında 1 mikrometrenin üzerinde spin tutarlılığı uzunluğu gözlemlenmiş ve düşük sıcaklıkta spin akımı polaritesinin bir elektrik kapısı ile kontrolü gözlemlenmiştir. ⓘ

Manyetik özellikler

Güçlü manyetik alanlar

Grafenin 10 Tesla'nın üzerindeki manyetik alanlardaki kuantum Hall etkisi ek ilginç özellikler ortaya koymaktadır. Hall iletkenliğinin ek platoları $\sigma _{xy}=\nu e^{2}/h$ ile $\nu =0,\pm {1},\pm {4}$ gözlemlenmiştir. Ayrıca, bir platonun gözlemlenmesi $\nu =3$ 'de kesirli kuantum Hall etkisi ve $\nu =1/3$ rapor edilmiştir. ⓘ

Bu gözlemler ile $\nu =0,\pm 1,\pm 3,\pm 4$ Landau enerji seviyelerinin dört kat dejenerasyonunun (iki vadi ve iki spin serbestlik derecesi) kısmen veya tamamen kaldırıldığını göstermektedir. Bir hipotez, simetri kırılmasının manyetik katalizinin dejenerasyonun kaldırılmasından sorumlu olduğudur. ⓘ

Spintronik ve manyetik özellikler grafende aynı anda mevcut olabilir. Litografik olmayan bir yöntem kullanılarak üretilen düşük kusurlu grafen nanomeşeler, oda sıcaklığında bile büyük genlikli ferromanyetizma sergiler. Ek olarak, az katmanlı ferromanyetik nanomeşelerin düzlemlerine paralel olarak uygulanan alanlar için bir spin pompalama etkisi bulunurken, dik alanlar altında bir manyetorezistans histerezis döngüsü gözlemlenmiştir. ⓘ

Manyetik substratlar

2014 yılında araştırmacılar grafeni atomik olarak pürüzsüz bir manyetik itriyum demir granat tabakası üzerine yerleştirerek manyetize ettiler. Grafenin elektronik özellikleri etkilenmedi. Önceki yaklaşımlar grafenin başka maddelerle katkılanmasını içeriyordu. Katkının varlığı elektronik özelliklerini olumsuz etkilemiştir. ⓘ

Termal iletkenlik

Grafende termal taşıma, termal yönetim uygulamaları potansiyeli nedeniyle dikkat çeken aktif bir araştırma alanıdır. Grafen ve ilgili karbon nanotüpler için yapılan tahminleri takiben, asılı grafenin termal iletkenliğinin ilk ölçümleri, oda sıcaklığında yaklaşık 2000 W⋅m-1⋅K-1 olan pirolitik grafitin termal iletkenliği ile karşılaştırıldığında 5300 W⋅m-1⋅K-1'e kadar olağanüstü büyük bir termal iletkenlik bildirmiştir. Bununla birlikte, daha sonra yapılan çalışmalar, öncelikle Kimyasal Buhar Biriktirme ile elde edilen daha ölçeklenebilir ancak daha kusurlu grafen üzerinde, bu tür yüksek termal iletkenlik ölçümlerini yeniden üretemedi ve askıya alınmış tek katmanlı grafen için 1500 - 2500 W⋅m-1⋅K-1 arasında geniş bir termal iletkenlik aralığı üretti. Rapor edilen termal iletkenlikteki geniş aralık, büyük ölçüm belirsizliklerinin yanı sıra grafen kalitesi ve işleme koşullarındaki değişikliklerden kaynaklanabilir. Buna ek olarak, tek katmanlı grafen amorf bir malzeme üzerinde desteklendiğinde, grafen kafes dalgalarının alt tabaka tarafından saçılmasının bir sonucu olarak termal iletkenliğin oda sıcaklığında yaklaşık 500 - 600 W⋅m-1⋅K-1'e düştüğü ve amorf oksitle kaplanmış birkaç katmanlı grafen için daha da düşük olabileceği bilinmektedir. Benzer şekilde, polimerik kalıntılar, asılı grafenin termal iletkenliğinde benzer bir düşüşe katkıda bulunarak çift katmanlı grafen için yaklaşık 500 - 600 W⋅m-1⋅K-1 değerine düşebilir. ⓘ

¹²C'nin ¹³C'ye oranı olan izotopik bileşimin termal iletkenlik üzerinde önemli bir etkisi olduğu öne sürülmüştür. Örneğin, izotopik olarak saf ¹²C grafen, 50:50 izotop oranından veya doğal olarak oluşan 99:1 oranından daha yüksek termal iletkenliğe sahiptir. Wiedemann-Franz yasası kullanılarak termal iletimin fonon baskın olduğu gösterilebilir. Bununla birlikte, kapılı bir grafen şerit için, kBT'den çok daha büyük bir Fermi enerji kaymasına neden olan uygulanan bir kapı önyargısı, elektronik katkının artmasına ve düşük sıcaklıklarda fonon katkısı üzerinde baskın olmasına neden olabilir. Grafenin balistik termal iletkenliği izotropiktir. ⓘ

Bu yüksek iletkenlik potansiyeli, 1000 W⋅m-1⋅K-1 (elmas ile karşılaştırılabilir) üzerinde bazal düzlem termal iletkenliğe sahip grafenin 3D versiyonu olan grafit göz önüne alınarak görülebilir. Grafitte, c ekseni (düzlem dışı) termal iletkenlik, bazal düzlemler arasındaki zayıf bağlanma kuvvetleri ve daha büyük kafes aralığı nedeniyle ~100 kat daha küçüktür. Buna ek olarak, grafenin balistik termal iletkenliğinin, karbon nanotüplerin birim çevresi, uzunluğu başına balistik termal iletkenliklerin alt sınırını verdiği gösterilmiştir. ⓘ

2 boyutlu yapısına rağmen grafen 3 akustik fonon moduna sahiptir. İki düzlem içi mod (LA, TA) doğrusal bir dağılım ilişkisine sahipken, düzlem dışı mod (ZA) ikinci dereceden bir dağılım ilişkisine sahiptir. Bu nedenle, doğrusal modların T²'ye bağlı termal iletkenlik katkısı, düşük sıcaklıklarda düzlem dışı modun T^1.5 katkısı tarafından domine edilir. Bazı grafen fonon bantları negatif Grüneisen parametreleri sergiler. Düşük sıcaklıklarda (pozitif Grüneisen parametrelerine sahip optik modların çoğunun hala uyarılmadığı yerlerde) negatif Grüneisen parametrelerinin katkısı baskın olacak ve termal genleşme katsayısı (Grüneisen parametreleriyle doğru orantılıdır) negatif olacaktır. En düşük negatif Grüneisen parametreleri en düşük enine akustik ZA modlarına karşılık gelir. Bu tür modlar için fonon frekansları düzlem içi örgü parametresi ile artar, çünkü gerilme üzerine katmandaki atomlar z yönünde hareket etmek için daha az serbest olacaktır. Bu, gerildiğinde daha küçük genlikli ve daha yüksek frekanslı titreşimlere sahip olacak bir sicimin davranışına benzer. "Membran etkisi" olarak adlandırılan bu olgu 1952 yılında Lifshitz tarafından öngörülmüştür. ⓘ

Mekanik

Grafenin (iki boyutlu) yoğunluğu metrekare başına 0,763 mg'dır. ⓘ

Grafen, 130 GPa (19.000.000 psi) içsel gerilme mukavemeti (geniş alanlı bağımsız grafeni germek için temsili mühendislik gerilme mukavemeti ~50-60 GPa) ve 1 TPa'ya (150.000.000 psi) yakın Young modülü (sertlik) ile şimdiye kadar test edilen en güçlü malzemedir. Nobel duyurusunda bu durum, 1 metrekarelik bir grafen hamağın 4 kg'lık bir kediyi destekleyeceği, ancak ağırlığının 0,77 mg (1 m² kağıdın ağırlığının yaklaşık %0,001'i) ile sadece kedinin bıyıklarından biri kadar olacağı şeklinde açıklanmıştır. ⓘ

Geniş açılı bükülmüş grafen tek tabakası, iki boyutlu karbon nanoyapısının mekanik sağlamlığını gösteren ihmal edilebilir bir gerilme ile elde edilmiştir. Aşırı deformasyonla bile, tek katmanlı grafende mükemmel taşıyıcı hareketliliği korunabilir. ⓘ

Asılı grafen tabakaların yay sabiti bir atomik kuvvet mikroskobu (AFM) kullanılarak ölçülmüştür. Grafen levhalar SiO üzerine asılmıştır
₂ boşlukta bir AFM ucu kullanılarak mekanik özelliklerini test etmek için levhaya gerilim uygulanmıştır. Yay sabiti 1-5 N/m aralığında ve sertliği 0,5 TPa idi, bu da yığın grafitinkinden farklıydı. Bu içsel özellikler, basınç sensörleri ve rezonatörler olarak NEMS gibi uygulamalara yol açabilir. Büyük yüzey enerjisi ve düzlem dışı sünekliği nedeniyle, düz grafen levhalar kaydırma açısından kararsızdır, yani daha düşük enerji durumu olan silindirik bir şekle bükülür. ⓘ

Tüm malzemeler için geçerli olduğu gibi, grafen bölgeleri göreceli yer değiştirmede termal ve kuantum dalgalanmalarına maruz kalır. Bu dalgalanmaların genliği 3D yapılarda (sonsuz boyut sınırında bile) sınırlı olmasına rağmen, Mermin-Wagner teoremi uzun dalga boylu dalgalanmaların genliğinin 2D yapının ölçeği ile logaritmik olarak büyüdüğünü ve bu nedenle sonsuz boyuttaki yapılarda sınırsız olacağını göstermektedir. Yerel deformasyon ve elastik gerilme, göreceli yer değiştirmedeki bu uzun menzilli sapmadan ihmal edilebilir derecede etkilenir. Yeterince büyük bir 2D yapının, uygulanan yanal gerilimin yokluğunda, dalgalanan bir 3D yapı oluşturmak için büküleceğine ve çökeceğine inanılmaktadır. Araştırmacılar grafenin asılı katmanlarında dalgalanmalar gözlemlemiş ve bu dalgalanmaların malzemedeki termal dalgalanmalardan kaynaklandığı öne sürülmüştür. Bu dinamik deformasyonların bir sonucu olarak, grafenin gerçekten 2D bir yapı olup olmadığı tartışmalıdır. Son zamanlarda bu dalgalanmaların, boşluk kusurlarının eklenmesiyle güçlendirilirse, grafene negatif bir Poisson oranı kazandırabileceği ve bunun da şimdiye kadar bilinen en ince auxetic malzemeyle sonuçlanabileceği gösterilmiştir. ⓘ

Grafen nano tabakaları, bir hedef substrat üzerinde Ni-grafen kompozitleri oluşturmak için bir kaplama işlemi yoluyla bir Ni matrisine dahil edilmiştir. Kompozitlerin mekanik özelliklerindeki artış, Ni ve grafen arasındaki yüksek etkileşime ve Ni matrisindeki dislokasyon kaymasının grafen tarafından önlenmesine bağlanmaktadır. ⓘ

Kırılma tokluğu

2014 yılında Rice Üniversitesi ve Georgia Teknoloji Enstitüsü'nden araştırmacılar, grafenin gücüne rağmen yaklaşık 4 MPa√m'lik kırılma tokluğuyla nispeten kırılgan olduğunu belirtmişlerdir. Bu, 15-50 MPa√m aralığında kırılma tokluğuna sahip olma eğiliminde olan birçok metalik malzemenin aksine, kusurlu grafenin seramik malzemeler gibi kırılgan bir şekilde çatlayabileceğini göstermektedir. Daha sonra 2014 yılında Rice ekibi, grafenin bir darbeden kaynaklanan kuvveti bilinen herhangi bir malzemeden daha fazla dağıtma kabiliyeti gösterdiğini, birim ağırlık başına çeliğin on katı olduğunu duyurdu. Kuvvet saniyede 22,2 kilometre (13,8 mil/s) hızla iletilmiştir. ⓘ

Polikristalin grafen

Cihaz uygulamaları için gerekli olan büyük ölçekli grafeni üretmek için çeşitli yöntemler - en önemlisi, aşağıdaki bölümde tartışıldığı gibi kimyasal buhar biriktirme (CVD) - geliştirilmiştir. Bu tür yöntemler genellikle polikristalin grafen sentezler. Polikristalin grafenin mekanik özellikleri, sistemde bulunan tane sınırları (GB) ve boşluklar gibi kusurların doğasından ve ortalama tane boyutundan etkilenir. Mekanik özelliklerin bu tür kusurlarla nasıl değiştiği araştırmacılar tarafından teorik ve deneysel olarak araştırılmıştır. ⓘ

Grafen tane sınırları tipik olarak heptagon-pentagon çiftleri içerir. Bu tür kusurların düzeni, GB'nin zig-zag veya armchair yönünde olmasına bağlıdır. Ayrıca GB'nin eğim açısına da bağlıdır. 2010 yılında Brown Üniversitesi'nden araştırmacılar, eğim açısı arttıkça tane sınırı mukavemetinin de artacağını hesaplamalı olarak öngörmüşlerdir. Tane sınırındaki en zayıf halkanın heptagon halkaların kritik bağlarında olduğunu göstermişlerdir. Tane sınırı açısı arttıkça, bu heptagon halkalarındaki gerinim azalır ve tane sınırının daha düşük açılı GB'lerden daha güçlü olmasına neden olur. Aslında, yeterince büyük açılı GB için, GB'nin gücünün bozulmamış grafene benzer olduğunu öne sürdüler. 2012 yılında, kusurların ayrıntılı düzenlemelerine bağlı olarak gücün artabileceği veya azalabileceği de gösterilmiştir. Bu tahminler o zamandan beri deneysel kanıtlarla desteklenmektedir. James Hone'un grubu tarafından yönetilen 2013 tarihli bir çalışmada, araştırmacılar nano-indentasyon ve yüksek çözünürlüklü TEM'i birleştirerek CVD ile büyütülmüş grafenin elastik sertliğini ve gücünü araştırdılar. Elastik sertliğin aynı olduğunu ve mukavemetin bozulmamış grafendekinden sadece biraz daha düşük olduğunu buldular. Aynı yıl UC Berkeley ve UCLA'dan araştırmacılar iki kristalli grafeni TEM ve AFM ile incelediler. Tane sınırlarının gücünün gerçekten de eğim açısı ile artma eğiliminde olduğunu buldular. ⓘ

Boşlukların varlığı sadece polikristalin grafende yaygın olmamakla birlikte, boşlukların grafenin mukavemeti üzerinde önemli etkileri olabilir. Genel kanı, artan boşluk yoğunluğu ile birlikte mukavemetin azaldığı yönündedir. Aslında, çeşitli çalışmalar yeterince düşük boşluk yoğunluğuna sahip grafen için mukavemetin bozulmamış grafeninkinden önemli ölçüde farklı olmadığını göstermiştir. Öte yandan, yüksek yoğunluktaki boşluklar grafenin gücünü ciddi ölçüde azaltabilir. ⓘ

Tane sınırı ve boşlukların grafenin mekanik özellikleri üzerindeki etkisinin oldukça iyi anlaşılmış doğası ile karşılaştırıldığında, ortalama tane boyutunun polikristalin grafenin mukavemeti üzerindeki genel etkisi konusunda net bir fikir birliği yoktur. Aslında, bu konuyla ilgili üç önemli teorik/hesaplamalı çalışma üç farklı sonuca yol açmıştır. İlk olarak, 2012 yılında Kotakoski ve Myer, moleküler dinamik (MD) simülasyonu kullanarak "gerçekçi atomistik model" ile polikristalin grafenin mekanik özelliklerini incelemiştir. CVD'nin büyüme mekanizmasını taklit etmek için, önce diğer bölgelerden en az 5A (keyfi olarak seçilmiş) uzaklıkta olan çekirdeklenme bölgelerini rastgele seçtiler. Bu çekirdeklenme bölgelerinden polikristalin grafen üretildi ve daha sonra 3000K'de tavlandı, ardından söndürüldü. Bu modele dayanarak, çatlakların tane sınırı bağlantı noktalarında başladığını, ancak tane boyutunun mukavemeti önemli ölçüde etkilemediğini buldular. İkinci olarak, 2013 yılında Z. Song ve arkadaşları, tek boyutlu altıgen şekilli tanelere sahip polikristalin grafenin mekanik özelliklerini incelemek için MD simülasyonlarını kullanmışlardır. Altıgen taneler çeşitli kafes yönlerinde yönlendirilmiş ve GB'ler yalnızca yedigen, beşgen ve altıgen karbon halkalarından oluşmuştur. Bu modelin arkasındaki motivasyon, benzer sistemlerin sıvı bakır yüzeyinde büyütülen grafen pullarında deneysel olarak gözlemlenmiş olmasıydı. Ayrıca çatlağın tipik olarak üçlü bağlantı noktalarında başladığını belirtirken, tane boyutu azaldıkça grafenin akma dayanımının arttığını tespit etmişlerdir. Bu bulguya dayanarak, polikristalinin sözde Hall-Petch ilişkisini takip ettiğini öne sürmüşlerdir. Üçüncü olarak, 2013 yılında Z. D. Sha ve arkadaşları, Voronoi yapısını kullanarak tane yamalarını modelleyerek tane boyutunun polikristalin grafenin özellikleri üzerindeki etkisini incelemişlerdir. Bu modeldeki GB'ler yedigen, beşgen ve altıgenin yanı sıra kareler, sekizgenler ve boşluklardan oluşuyordu. MD simülasyonu yoluyla, daha önce bahsedilen çalışmanın aksine, grafenin mukavemetinin tane boyutu arttıkça arttığı ters Hall-Petch ilişkisini buldular. Deneysel gözlemler ve diğer teorik tahminler de yukarıda verilen üç tanesine benzer şekilde farklı sonuçlar vermiştir. Bu tür tutarsızlıklar, tane boyutunun, kusur düzenlemelerinin ve kusurların doğasının polikristalin grafenin mekanik özellikleri üzerindeki etkilerinin karmaşıklığını göstermektedir. ⓘ

Kimyasal

Grafenin teorik özgül yüzey alanı (SSA) 2630 m²/g'dır. Bu, karbon siyahı (tipik olarak 900 m²/g'dan daha küçük) veya karbon nanotüpler (CNT'ler) için bugüne kadar bildirilen ≈100 ila 1000 m²/g'dan çok daha büyüktür ve aktif karbona benzer. Grafen, her atomun iki taraftan kimyasal reaksiyona girebildiği (2D yapısı nedeniyle) tek karbon (veya katı madde) formudur. Bir grafen tabakasının kenarlarındaki atomlar özel kimyasal reaktiviteye sahiptir. Grafen, herhangi bir allotropun en yüksek kenar atomu oranına sahiptir. Bir tabaka içindeki kusurlar kimyasal reaktivitesini artırır. Tek katmanlı grafenin bazal düzlemi ile oksijen gazı arasındaki reaksiyonun başlangıç sıcaklığı 260 °C'nin (530 K) altındadır. Grafen çok düşük sıcaklıklarda yanar (örneğin 350 °C (620 K)). Grafen genellikle oksijen ve azot içeren fonksiyonel gruplarla modifiye edilir ve kızılötesi spektroskopisi ve X-ışını fotoelektron spektroskopisi ile analiz edilir. Bununla birlikte, grafenin oksijen ve azot fonksiyonel gruplarıyla yapılarının belirlenmesi, yapıların iyi kontrol edilmesini gerektirir. ⓘ

2013 yılında Stanford Üniversitesi fizikçileri, tek katmanlı grafenin kimyasal olarak daha kalın çok katmanlı tabakalardan yüz kat daha reaktif olduğunu bildirdi. ⓘ

Grafen, hidrokarbonlar gibi karbon içeren moleküllere maruz kaldığında tabakalarındaki delikleri kendi kendine onarabilir. Saf karbon atomları ile bombardıman edildiğinde, atomlar mükemmel bir şekilde altıgenler halinde hizalanarak delikleri tamamen doldurur. ⓘ

Biyolojik

Farklı hücre çalışmaları ve kavram kanıtlama çalışmalarındaki umut verici sonuçlara rağmen, grafen bazlı malzemelerin tam biyouyumluluğu konusunda hala eksik bir anlayış vardır. Farklı hücre hatları grafene maruz kaldıklarında farklı tepkiler vermektedir ve grafen pullarının yanal boyutunun, formunun ve yüzey kimyasının aynı hücre hattı üzerinde farklı biyolojik tepkiler ortaya çıkarabileceği gösterilmiştir. ⓘ

Grafenin sinir hücreleri ile etkileşim için yararlı bir malzeme olarak umut vaat ettiğine dair göstergeler vardır; kültürlenmiş sinir hücreleri üzerinde yapılan çalışmalar sınırlı başarı göstermektedir. ⓘ

Grafen ayrıca osteojenikte de bazı faydalara sahiptir. Singapur Ulusal Üniversitesi (NUS) Grafen Araştırma Merkezi'ndeki araştırmacılar 2011 yılında grafenin biyokimyasal indükleyiciler kullanmadan insan Mezenkimal Kök Hücrelerinin osteojenik farklılaşmasını hızlandırma yeteneğini keşfetmiştir. ⓘ

Grafen biyosensörlerde kullanılabilir; 2015 yılında araştırmacılar grafen bazlı bir sensörün bir kanser riski biyobelirtecini tespit etmek için kullanılabileceğini göstermiştir. Özellikle, silikon karbür üzerinde epitaksiyel grafen kullanarak, bir DNA hasarı biyobelirteci olan 8-hidroksideoksiguanozini (8-OHdG) tekrarlanabilir bir şekilde tespit edebildiler. ⓘ

Destek substratı

Grafenin elektronik özelliği, destekleyici alt tabakadan önemli ölçüde etkilenebilir. Temiz ve hidrojen (H) ile pasifleştirilmiş silikon (100) (Si(100)/H) yüzeyler üzerinde grafen tek katman çalışmaları yapılmıştır. Si(100)/H yüzeyi grafenin elektronik özelliklerini bozmazken, temiz Si(100) yüzeyi ile grafen arasındaki etkileşim grafenin elektronik durumlarını önemli ölçüde değiştirmektedir. Bu etki, grafen tabakasının π-orbital ağını değiştiren C ve yüzey Si atomları arasındaki kovalent bağdan kaynaklanmaktadır. Yerel durum yoğunluğu, bağlanmış C ve Si yüzey durumlarının Fermi enerjisi yakınında oldukça bozulduğunu göstermektedir. ⓘ

Formlar

Tek katmanlı tabakalar

2013 yılında bir grup Polonyalı bilim insanı sürekli tek katmanlı levhaların üretimine olanak tanıyan bir üretim ünitesi sundu. Süreç, sıvı bir metal matris üzerinde grafen büyümesine dayanmaktadır. Bu sürecin ürünü Yüksek Mukavemetli Metalurjik Grafen olarak adlandırıldı. Nature dergisinde yayınlanan yeni bir çalışmada araştırmacılar, elektrokimyasal olarak yüklenmiş yüzeydeki en üst su katmanını araştırmak için tek katmanlı bir grafen elektrot ve yeni bir yüzeye duyarlı doğrusal olmayan spektroskopi tekniği kullandılar. Uygulanan elektrik alanına ara yüzey su tepkisinin, uygulanan alanın doğasına göre asimetrik olduğunu bulmuşlardır. ⓘ

Çift katmanlı grafen

İki katmanlı grafen, anormal kuantum Hall etkisi, ayarlanabilir bir bant aralığı ve eksitonik yoğunlaşma potansiyeli göstererek optoelektronik ve nanoelektronik uygulamalar için umut verici bir adaydır. İki katmanlı grafen tipik olarak ya iki katmanın birbirine göre döndürüldüğü bükülmüş konfigürasyonlarda ya da bir katmandaki atomların yarısının diğerindeki atomların yarısının üzerinde yer aldığı grafitik Bernal istiflenmiş konfigürasyonlarda bulunabilir. İstifleme düzeni ve yönelimi, iki katmanlı grafenin optik ve elektronik özelliklerini yönetir. ⓘ

Çift katmanlı grafeni sentezlemenin bir yolu, neredeyse yalnızca Bernal yığın geometrisine uyan büyük çift katmanlı bölgeler üretebilen kimyasal buhar biriktirmedir. ⓘ

İki grafen katmanının, sonuçta pul pul dökülmelerine yol açması gereken önemli gerilme veya doping uyumsuzluğuna dayanabileceği gösterilmiştir. ⓘ

Turbostratik grafen

Turbostratik grafen zayıf katmanlar arası bağlantı sergiler ve Bernal istifli çok katmanlı grafene göre aralık artar. Rotasyonel yanlış hizalama, Raman spektroskopisi ile doğrulandığı gibi 2D elektronik yapıyı korur. D piki çok zayıfken, 2D ve G pikleri belirgin kalmaktadır. Oldukça tuhaf bir özellik de I_2D/I_G oranının 10'u aşabilmesidir. Bununla birlikte, en önemlisi, AB istiflenmesinden kaynaklanan M piki yoktur, oysa TS₁ ve TS₂ modları Raman spektrumunda görülebilir. Malzeme, bitişik grafen katmanlarının kristal grafitik yapılara tavlanması yoluyla yeniden düzenlenmesine izin vermek için yeterli enerji sağlamadan grafenik olmayan karbonun grafenik karbona dönüştürülmesiyle oluşur. ⓘ

Grafen süperlattices

Periyodik olarak istiflenmiş grafen ve onun yalıtkan izomorfu, nanoelektronik ve fotonik aygıtların tasarlanmasında olanaklar sunan atomik ölçekte son derece işlevsel süper örgülerin uygulanmasında büyüleyici bir yapısal unsur sağlar. Grafen ve ilgili formlarının istiflenmesiyle çeşitli türlerde süperörgüler elde edilebilir. Katman istifli süperörgülerdeki enerji bandının, geleneksel III-V yarı iletken süperörgülerdekine kıyasla bariyer genişliğine daha duyarlı olduğu bulunmuştur. Her periyotta bariyere birden fazla atomik katman eklendiğinde, komşu potansiyel kuyulardaki elektronik dalga fonksiyonlarının bağlanması önemli ölçüde azaltılabilir, bu da sürekli alt bantların kuantize enerji seviyelerine dönüşmesine yol açar. Kuyu genişliğini değiştirirken, L-M yönü boyunca potansiyel kuyulardaki enerji seviyeleri K-H yönündekilerden farklı davranır. ⓘ

Bir süper kafes, farklı malzemelerin periyodik veya yarı periyodik bir düzenlemesine karşılık gelir ve sisteme yeni bir translasyonel simetri kazandıran, fonon dağılımlarını ve ardından termal taşıma özelliklerini etkileyen bir süper kafes periyodu ile tanımlanabilir. Son zamanlarda, düzgün tek katmanlı grafen-hBN yapıları, kimyasal buhar biriktirme (CVD) ile birleştirilmiş litografi desenleme yoluyla başarıyla sentezlenmiştir. Dahası, grafen-hBN süper örgüleri, tutarlı (dalga benzeri) ve tutarsız (parçacık benzeri) fonon termal taşınımının gerçekleştirilmesi ve anlaşılması için ideal model sistemlerdir. ⓘ

Grafen nanoribonlar

Grafen kenar topolojileri için isimler ⓘ

GNR Zig-zag yöneliminde değişen genişlikteki grafen şeritlerin elektronik bant yapısı. Sıkı bağlama hesaplamaları hepsinin metalik olduğunu göstermektedir. ⓘ

GNR Armchair yöneliminde çeşitli genişliklerde grafen şeritlerin elektronik bant yapısı. Sıkı bağlama hesaplamaları, genişliğe (kiralite) bağlı olarak yarı iletken veya metalik olduklarını göstermektedir. ⓘ

Grafen nanoribbonlar ("zig-zag"/"zigzag" yöneliminde "nanostripes"), düşük sıcaklıklarda, spin-polarize metalik kenar akımları gösterir, bu da yeni spintronik alanındaki uygulamalara işaret eder. ("Armchair" yöneliminde kenarlar yarı iletkenler gibi davranır). ⓘ

Grafen kuantum noktaları

Bir grafen kuantum noktası (GQD), 100 nm'den daha küçük boyuta sahip bir grafen parçasıdır. GQD'lerin özellikleri, yalnızca boyut 100 nm'den küçük olduğunda belirgin hale gelen kuantum hapsetme etkileri nedeniyle 'yığın' grafenden farklıdır. ⓘ

Grafen oksit

Grafen oksit genellikle grafitin kimyasal eksfoliasyonu yoluyla üretilir. Özellikle popüler bir teknik, geliştirilmiş Hummer yöntemidir. Suda dağılmış, oksitlenmiş ve kimyasal olarak işlenmiş grafit üzerinde kağıt yapım teknikleri kullanılarak, tek katmanlı pullar tek bir tabaka oluşturur ve güçlü bağlar oluşturur. Grafen oksit kağıdı olarak adlandırılan bu tabakaların ölçülen gerilme modülü 32 GPa'dır. Grafit oksitin kimyasal özelliği, grafen tabakalara bağlı fonksiyonel gruplarla ilgilidir. Bunlar polimerizasyon yolunu ve benzer kimyasal süreçleri değiştirebilir. Polimerlerdeki grafen oksit pulları gelişmiş foto-iletkenlik özellikleri sergiler. Grafen normalde hidrofobiktir ve tüm gaz ve sıvılara karşı geçirimsizdir (vakum geçirmez). Bununla birlikte, grafen oksit bazlı kılcal membran haline getirildiğinde, hem sıvı su hem de su buharı, membran yokmuş gibi hızlı bir şekilde akar. ⓘ

Kimyasal modifikasyon

Yüksek sıcaklıkta kimyasal işleme tabi tutularak tabaka katlanmasına ve karboksilik işlevsellik kaybına neden olan veya oda sıcaklığında karbodiimid işlemiyle yıldız benzeri kümeler halinde çöken tek katmanlı grafen oksitin fotoğrafı.

Çözünebilir grafen parçaları, grafitin kimyasal modifikasyonu yoluyla laboratuvarda hazırlanabilir. İlk olarak, mikrokristalin grafit asidik bir sülfürik asit ve nitrik asit karışımı ile muamele edilir. Bir dizi oksidasyon ve pul pul dökülme aşaması, kenarlarında karboksil grupları olan küçük grafen plakaları üretir. Bunlar tiyonil klorür ile muamele edilerek asit klorür gruplarına dönüştürülür; daha sonra oktadesilamin ile muamele edilerek karşılık gelen grafen amide dönüştürülür. Elde edilen malzeme (5,3 Å veya 5,3×10-10 m kalınlığında dairesel grafen tabakaları) tetrahidrofuran, tetraklorometan ve dikloroetan içinde çözünür. ⓘ

Tek katmanlı grafen oksitin (SLGO) çözücülerde geri akıtılması, tek tek tabakaların boyutunun küçülmesine ve katlanmasına ve ayrıca karboksilik grup işlevselliğinin %20'ye kadar kaybolmasına yol açarak SLGO tabakalarının hazırlama metodolojisine bağlı termal kararsızlıklarını gösterir. Tiyonil klorür kullanıldığında, daha sonra yaklaşık %70-80 reaktivite dönüşümü ile alifatik ve aromatik amidler oluşturabilen açil klorür grupları ortaya çıkar. ⓘ

Tek katmanlı grafen oksitin çeşitli kimyasal reaksiyonları için Boehm titrasyon sonuçları, karboksilik grupların reaktivitesini ve işlemden sonra SLGO tabakalarının sonuçta ortaya çıkan stabilitesini ortaya koymaktadır. ⓘ

SLGO'yu SLG(R)'ye indirgemek için yaygın olarak hidrazin geri akışı kullanılır, ancak titrasyonlar karboksilik grupların sadece yaklaşık %20-30'unun kaybolduğunu ve kimyasal bağlanma için önemli sayıda kullanılabilir kaldığını göstermektedir. Bu yolla üretilen SLG(R)'nin analizi, sistemin kararsız olduğunu ve HCl (< 1.0 M) ile oda sıcaklığında karıştırmanın COOH işlevselliğinin yaklaşık %60 kaybına yol açtığını ortaya koymaktadır. SLGO'nun karbodiimidlerle oda sıcaklığında muamelesi, tek tek tabakaların yıldız benzeri kümeler halinde çökmesine yol açarak aminlerle zayıf bir sonraki reaktivite sergilemiştir (ara maddenin nihai amide yaklaşık %3-5 dönüşümü). SLGO üzerindeki karboksilik grupların geleneksel kimyasal işleminin, kimyasal reaktivitede bir azalmaya yol açan ve kompozit sentezinde kullanımlarını potansiyel olarak sınırlayabilecek bireysel tabakaların morfolojik değişikliklerini ürettiği açıktır. Bu nedenle, kimyasal reaksiyon türleri araştırılmıştır. SLGO ayrıca epoksi grupları aracılığıyla çapraz bağlanmış polialilamin ile aşılanmıştır. Grafen oksit kağıdına süzüldüğünde, bu kompozitler modifiye edilmemiş grafen oksit kağıdına göre artan sertlik ve mukavemet sergilemektedir. ⓘ

Grafen tabakasının her iki tarafından tam hidrojenasyon grafan ile sonuçlanır, ancak kısmi hidrojenasyon hidrojenlenmiş grafene yol açar. Benzer şekilde, grafenin her iki taraftan florlanması (veya grafit florürün kimyasal ve mekanik eksfoliyasyonu) florografene (grafen florür) yol açarken, kısmi florlama (genellikle halojenleme) florlanmış (halojenlenmiş) grafen sağlar. ⓘ

Grafen ligandı/kompleksi

Grafen, fonksiyonel gruplar ekleyerek metalleri ve metal iyonlarını koordine etmek için bir ligand olabilir. Grafen ligandlarının yapıları, örneğin metal-porfirin kompleksi, metal-ftalosiyanin kompleksi ve metal-fenantrolin kompleksine benzer. Bakır ve nikel iyonları grafen ligandları ile koordine edilebilir. ⓘ

Grafen elyaf

2011 yılında araştırmacılar, kimyasal buhar biriktirme ile büyütülmüş grafen filmlerden grafen lifleri üretmek için yeni ama basit bir yaklaşım bildirdiler. Yöntem ölçeklenebilir ve kontrol edilebilirdi, uygun yüzey gerilimine sahip çözücülerin buharlaşmasını kontrol ederek ayarlanabilir morfoloji ve gözenek yapısı sağlıyordu. Bu grafen liflerine dayanan esnek tamamen katı hal süperkapasitörler 2013 yılında gösterilmiştir. ⓘ

2015 yılında, küçük grafen parçalarının tavlama işleminden sonra daha büyük, sarmal grafen levhalar tarafından oluşturulan boşluklara yerleştirilmesi, iletim için yollar sağlarken, parçalar liflerin güçlendirilmesine yardımcı oldu. Elde edilen lifler daha iyi termal ve elektriksel iletkenlik ve mekanik mukavemet sundu. Termal iletkenlik 1.290 W/m/K'ya (kelvin başına metre başına 1.290 watt) ulaşırken, gerilme mukavemeti 1.080 MPa'ya (157.000 psi) ulaştı. ⓘ

2016 yılında, üstün mekanik özelliklere ve mükemmel elektrik iletkenliğine sahip kilometre ölçekli sürekli grafen lifleri, grafen oksit sıvı kristallerinin yüksek verimli ıslak eğirilmesi ve ardından tam ölçekli bir sinerjik kusur mühendisliği stratejisiyle grafitleştirilmesi yoluyla üretildi. Üstün performansa sahip grafen lifleri, fonksiyonel tekstiller, hafif motorlar, mikroelektronik cihazlar vb. alanlarda geniş uygulama alanları vaat ediyor. ⓘ

Pekin'deki Tsinghua Üniversitesi, Kimya Mühendisliği Bölümü'nden Wei Fei liderliğinde, 80 GPa (12.000.000 psi) gerilme mukavemetine sahip bir karbon nanotüp elyaf yaratabildiğini iddia ediyor. ⓘ

3D grafen

2013 yılında, altıgen olarak düzenlenmiş karbondan oluşan üç boyutlu bir bal peteği 3D grafen olarak adlandırıldı ve kendi kendini destekleyen 3D grafen de üretildi. Grafenin 3D yapıları CVD veya çözelti bazlı yöntemler kullanılarak üretilebilir. Khurram ve Xu ve arkadaşları tarafından 2016 yılında yapılan bir inceleme, grafen ve diğer ilgili iki boyutlu malzemelerin 3D yapısının üretimi için o zamanki en son tekniklerin bir özetini sunmuştur. 2013 yılında Stony Brook Üniversitesi'ndeki araştırmacılar, destek olarak herhangi bir polimer matrisi olmadan yapı taşı olarak nanomalzemeler kullanarak grafen ve karbon nanotüplerin gözenekli 3D serbest duran mimarilerini imal etmek için yeni bir radikal başlatmalı çapraz bağlama yöntemi bildirmiştir. Bu 3D grafen (tamamen karbon) iskeleler/köpükler enerji depolama, filtreleme, termal yönetim ve biyomedikal cihazlar ve implantlar gibi çeşitli alanlarda uygulamalara sahiptir. ⓘ

Pirolitik grafitin mekanik bölünmesinden sonra ortaya çıkan kutu şeklindeki grafen (BSG) nanoyapısı 2016 yılında rapor edilmiştir. Keşfedilen nano yapı, yüzey boyunca yer alan ve dörtgen kesite sahip paralel içi boş nano kanallardan oluşan çok katmanlı bir sistemdir. Kanal duvarlarının kalınlığı yaklaşık olarak 1 nm'ye eşittir. Potansiyel BSG uygulama alanları şunları içerir: ultra hassas dedektörler, yüksek performanslı katalitik hücreler, DNA dizilimi ve manipülasyonu için nano kanallar, yüksek performanslı ısı emici yüzeyler, gelişmiş performanslı şarj edilebilir piller, nanomekanik rezonatörler, emisyon nanoelektronik cihazlarında elektron çarpma kanalları, güvenli hidrojen depolama için yüksek kapasiteli sorbentler. ⓘ

Üç boyutlu çift katmanlı grafen de rapor edilmiştir. ⓘ

Sütunlu grafen

Sütunlu grafen, her iki ucundan bir grafen tabakasına bağlanan yönlendirilmiş bir karbon nanotüp dizisinden oluşan hibrit bir karbon yapısıdır. İlk olarak 2008 yılında Yunanistan'daki Girit Üniversitesi'nden George Froudakis ve meslektaşları tarafından teorik olarak tanımlanmıştır. Sütunlu grafen henüz laboratuvarda sentezlenmemiştir, ancak yararlı elektronik özelliklere sahip olabileceği veya bir hidrojen depolama malzemesi olabileceği öne sürülmüştür. ⓘ

Güçlendirilmiş grafen

Gömülü karbon nanotüp takviye çubukları ("inşaat demiri") ile güçlendirilmiş grafenin manipülasyonu daha kolaydır ve her iki malzemenin de elektriksel ve mekanik niteliklerini geliştirir. ⓘ

İşlevselleştirilmiş tek veya çok duvarlı karbon nanotüpler bakır folyolar üzerine döndürülerek kaplanır ve ardından nanotüplerin kendileri karbon kaynağı olarak kullanılarak ısıtılır ve soğutulur. Isıtma altında, fonksiyonel karbon grupları grafene ayrışırken, nanotüpler kısmen ayrılır ve grafen ile düzlem içi kovalent bağlar oluşturarak güç katar. π-π istifleme alanları daha fazla güç katar. Nanotüpler üst üste binerek malzemeyi standart CVD ile büyütülmüş grafenden daha iyi bir iletken haline getirebilir. Nanotüpler, geleneksel grafende bulunan tane sınırlarını etkili bir şekilde köprülüyor. Teknik, epitaksi kullanılarak daha sonra ayrılmış tabakaların biriktirildiği substrat izlerini ortadan kaldırır. ⓘ

Birkaç katmandan oluşan yığınlar, ekranlarda ve fotovoltaik hücrelerde kullanılan indiyum kalay oksit (ITO) için uygun maliyetli ve fiziksel olarak esnek bir yedek olarak önerilmiştir. ⓘ

Kalıplanmış grafen

2015 yılında Urbana-Champaign'deki Illinois Üniversitesi'nden (UIUC) araştırmacılar düz, 2D grafen tabakalarından 3D şekiller oluşturmak için yeni bir yaklaşım geliştirdiler. Şişmesi ve dövülebilir hale gelmesi için çözücüye batırılmış bir grafen filmi, altta yatan bir alt tabaka "oluşturucu" üzerine kaplandı. Çözücü zamanla buharlaşarak geride alttaki yapının şeklini alan bir grafen tabakası bıraktı. Bu şekilde bir dizi nispeten karmaşık mikro yapılı şekil üretebildiler. Özellikler 3,5 ila 50 μm arasında değişiyor. Saf grafen ve altınla süslenmiş grafenin her biri alt tabaka ile başarılı bir şekilde entegre edildi. ⓘ

Grafen aerojel

Karbon nanotüplerle ayrılmış grafen katmanlarından oluşan bir aerojel santimetreküp başına 0,16 miligram olarak ölçülmüştür. Bir kalıp içinde grafen ve karbon nanotüplerden oluşan bir çözelti dondurularak kurutulmakta ve böylece aerojel elde edilmektedir. Malzeme üstün esnekliğe ve emiciliğe sahiptir. 90'dan fazla sıkıştırmadan sonra tamamen iyileşebilir ve saniyede 68,8 gramlık bir hızla ağırlığının 900 katına kadar yağ emebilir. ⓘ

Grafen nanocoil

2015 yılında grafitik karbonda (kömür) grafenin sarmal bir formu keşfedildi. Spiral etkisi, malzemenin altıgen ızgarasındaki kusurlar tarafından üretilir ve bu da grafen yüzeyi eksene yaklaşık olarak dik olacak şekilde bir Riemann yüzeyini taklit ederek kenarı boyunca spiral çizmesine neden olur. Böyle bir bobine voltaj uygulandığında, akım spiralin etrafında akarak bir manyetik alan üretir. Bu olgu, farklı akım dağılımlarına sahip olsa da zikzak ya da koltuk desenli spiraller için geçerlidir. Bilgisayar simülasyonları, 205 mikron çapındaki geleneksel bir spiral indüktörün sadece 70 nanometre genişliğindeki bir nano bobinle eşleştirilebileceğini ve alan gücünün 1 tesla'ya kadar ulaşabileceğini göstermiştir. ⓘ

Yakobson ve ekibine göre, Rice'taki bilgisayar modelleri aracılığıyla analiz edilen nano-solenoidler, tipik hoparlörlerde bulunan bobinlerle yaklaşık aynı olan yaklaşık 1 tesla'lık güçlü manyetik alanlar üretebilmeli ve bazı MRI makineleri ile yaklaşık aynı alan gücüne sahip olmalıdır. Manyetik alanın, spiralin merkezindeki içi boş, nanometre genişliğindeki boşlukta en güçlü olacağını buldular. ⓘ

Böyle bir bobinle yapılan bir solenoid, çekirdek ve dış arasındaki akım dağılımı uygulanan voltajla değişen ve doğrusal olmayan endüktansla sonuçlanan bir kuantum iletkeni gibi davranır. ⓘ

Buruşuk grafen

2016 yılında Brown Üniversitesi grafeni 'buruşturmak' için bir yöntem geliştirdi ve malzemeye nano ölçekte kırışıklıklar ekledi. Bu, grafen oksit katmanlarının bir shrink film üzerine biriktirilmesi, daha sonra büzülmesi ve filmin başka bir film tabakası üzerinde tekrar büzülmeden önce çözülmesiyle elde edildi. Buruşturulan grafen süperhidrofobik hale geldi ve pil elektrodu olarak kullanıldığında malzemenin elektrokimyasal akım yoğunluğunda %400'e varan bir artışa sahip olduğu görüldü. ⓘ

Üretim

Grafenin ticari uygulamalarda kullanılmasını sağlamak için hızla artan bir üretim teknikleri listesi geliştirilmiştir. ⓘ

İzole 2D kristaller prensipte bile kimyasal sentez yoluyla küçük boyutların ötesinde büyütülemez, çünkü artan yanal boyutla birlikte fonon yoğunluğunun hızlı büyümesi 2D kristalleri üçüncü boyuta bükülmeye zorlar. Her durumda, grafen iki boyutlu şeklini korumak için bir alt tabakaya bağlanmalıdır. ⓘ

Grafen kuantum noktaları ve nanoribbonlar gibi küçük grafen yapıları, kafesi organik molekül monomerlerinden (örneğin sitrik asit, glikoz) bir araya getiren "aşağıdan yukarıya" yöntemlerle üretilebilir. "Yukarıdan aşağıya" yöntemler ise yığın grafit ve grafen malzemeleri güçlü kimyasallarla (örn. karışık asitler) keser. ⓘ

Mekanik

Mekanik eksfoliasyon

Geim ve Novoselov başlangıçta grafen tabakalarını grafitten uzaklaştırmak için yapışkan bant kullandılar. Tek katmanlar elde etmek tipik olarak birden fazla pul pul dökülme adımı gerektirir. Eksfoliasyondan sonra pullar bir silikon plaka üzerinde biriktirilir. Çıplak gözle görülebilen 1 mm'den büyük kristalitler elde edilebilir. ⓘ

2014 yılı itibariyle, pul pul dökülme en düşük kusur sayısına ve en yüksek elektron hareketliliğine sahip grafeni üretmiştir. ⓘ

Alternatif olarak keskin bir tek kristalli elmas kama, katmanları ayırmak için grafit kaynağına nüfuz eder. ⓘ

2014 yılında, 10×10⁴'ten daha yüksek yerel kesme hızları üreten karıştırıcılar kullanılarak grafitten hatasız, oksitlenmemiş grafen içeren sıvılar yapılmıştır. ⓘ

Kesme eksfoliyasyonu, rotor-stator karıştırıcı kullanılarak hatasız Grafenin ölçeklenebilir üretiminin mümkün hale geldiği bir başka yöntemdir Mekanik eksfoliyasyon için türbülans gerekli olmadığından, düşük hızlı bilyalı öğütmenin Yüksek Verimli ve suda çözünür grafen üretiminde etkili olduğu gösterilmiştir. ⓘ

Ultrasonik eksfoliyasyon

Grafitin sıvı bir ortamda dağıtılması, sonikasyon ve ardından santrifüjleme yoluyla grafen üretebilir ve N-metilpirolidon içinde 2,1 mg/ml konsantrasyonlar üretebilir. Dağıtıcı sıvı ortam olarak uygun bir iyonik sıvı kullanılması 5,33 mg/ml konsantrasyon üretmiştir. Yeniden istifleme bu teknikle ilgili bir sorundur. ⓘ

Sonikasyondan önce bir çözücüye bir yüzey aktif madde eklenmesi, grafen yüzeyine adsorbe olarak yeniden istiflenmeyi önler. Bu daha yüksek bir grafen konsantrasyonu üretir, ancak yüzey aktif maddenin çıkarılması kimyasal işlemler gerektirir. ⓘ

Grafitin, özellikle heptan ve su olmak üzere iki karışmayan sıvının arayüzünde sonikleştirilmesi makro ölçekli grafen filmler üretmiştir. Grafen tabakaları, malzemeler arasındaki yüksek enerjili arayüze adsorbe edilir ve yeniden istiflenmeleri önlenir. Tabakalar yaklaşık %95'e kadar şeffaf ve iletkendir. ⓘ

Belirli bölünme parametreleri ile kutu şekilli grafen (BSG) nanoyapısı grafit kristali üzerinde hazırlanabilir. ⓘ

Tek katmanlı karbonun bölünmesi

Nanotüp dilimleme

Grafen, karbon nanotüplerin kesme veya dağlama yoluyla açılmasıyla oluşturulabilir. Bu tür bir yöntemde çok duvarlı karbon nanotüpler potasyum permanganat ve sülfürik asit etkisiyle çözelti içinde kesilerek açılır. ⓘ

2014 yılında, karbon nanotüp takviyeli grafen, spin kaplama ve işlevselleştirilmiş karbon nanotüplerin tavlanması yoluyla yapılmıştır. ⓘ

Fulleren bölünmesi

Başka bir yaklaşım ise süpersonik hızlarda bir substrat üzerine buckyballs püskürtür. Toplar çarpışmanın ardından çatlayarak açılır ve ortaya çıkan fermuarlı kafesler daha sonra bir grafen filmi oluşturmak üzere birbirine bağlanır. ⓘ

Kimyasal

Grafit oksit indirgemesi

P. Boehm 1962 yılında indirgenmiş grafen oksitten tek katmanlı pullar ürettiğini bildirmiştir. Grafit oksidin hızlı bir şekilde ısıtılması ve pul pul dökülmesi, yüzde birkaç grafen gevreği içeren yüksek oranda dağılmış karbon tozu verir. ⓘ

Diğer bir yöntem ise grafit oksit tek katmanlı filmlerin indirgenmesidir, örneğin hidrazin ile argon/hidrojen içinde tavlama ile fonksiyonel grupların etkin bir şekilde çıkarılmasına olanak tanıyan neredeyse bozulmamış bir karbon çerçeve elde edilir. Ölçülen yük taşıyıcı hareketliliği 1000 cm/Vs'yi (10m/Vs) aşmıştır. ⓘ

Grafit oksit kaplı bir DVD'nin yakılması, iletken bir grafen film (metre başına 1738 siemens) ve oldukça dirençli ve şekillendirilebilir spesifik yüzey alanı (gram başına 1520 metrekare) üretmiştir. ⓘ

Dağılmış bir indirgenmiş grafen oksit süspansiyonu, herhangi bir yüzey aktif madde kullanılmadan hidrotermal dehidrasyon yöntemiyle su içinde sentezlenmiştir. Bu yaklaşım kolay, endüstriyel olarak uygulanabilir, çevre dostu ve uygun maliyetlidir. Viskozite ölçümleri, grafen kolloidal süspansiyonun (Grafen nanoakışkan) Newton davranışı sergilediğini ve viskozitesinin suyunkine yakın benzerlik gösterdiğini doğrulamıştır. ⓘ

Erimiş tuzlar

Grafit parçacıkları, grafen de dahil olmak üzere çeşitli karbon nano yapıları oluşturmak için erimiş tuzlarda aşındırılabilir. Erimiş lityum klorür içinde çözünmüş hidrojen katyonları, katodik olarak polarize edilmiş grafit çubuklar üzerine boşaltılabilir ve bunlar daha sonra grafen tabakalarını soyarak interkalate olur. Üretilen grafen nano tabakalar, birkaç yüz nanometrelik yanal boyuta ve yüksek derecede kristallik ve termal kararlılığa sahip tek kristalli bir yapı sergilemiştir. ⓘ

Elektrokimyasal sentez

Elektrokimyasal sentez grafeni pul pul dökebilir. Darbeli bir voltajın değiştirilmesi kalınlığı, pul alanını, kusur sayısını kontrol eder ve özelliklerini etkiler. Süreç, grafitin interkalasyon için bir çözücü içinde yıkanmasıyla başlar. Süreç, çözeltinin şeffaflığı bir LED ve fotodiyot ile izlenerek takip edilebilir. ⓘ

Hidrotermal kendi kendine montaj

Grafen bir şeker (örneğin glikoz, şeker, fruktoz, vb.) kullanılarak hazırlanmıştır. Bu substratsız "aşağıdan yukarıya" sentez, pul pul dökülmeden daha güvenli, daha basit ve daha çevre dostudur. Yöntem, "Tang-Lau Yöntemi" olarak bilinen tek tabakadan çok tabakaya kadar değişen kalınlığı kontrol edebilir. ⓘ

Sodyum etoksit pirolizi

Gram miktarları, etanolün sodyum metali ile reaksiyonu, ardından piroliz ve su ile yıkama yoluyla üretilmiştir. ⓘ

Mikrodalga destekli oksidasyon

2012 yılında, mikrodalga enerjisinin grafeni tek adımda doğrudan sentezlediği bildirilmiştir. Bu yaklaşım, reaksiyon karışımında potasyum permanganat kullanımını önler. Ayrıca mikrodalga radyasyon yardımı ile delikli veya deliksiz grafen oksitin mikrodalga süresini kontrol ederek sentezlenebileceği bildirilmiştir. Mikrodalga ısıtma, reaksiyon süresini günlerden saniyelere kadar önemli ölçüde kısaltabilir. ⓘ

Grafen ayrıca mikrodalga destekli hidrotermal piroliz ile de yapılabilir. ⓘ

Silisyum karbürün termal ayrışması

Silisyum karbürün (SiC) düşük basınç altında (yaklaşık 10-6 torr veya 10-4 Pa) yüksek sıcaklıklara (1100 °C) ısıtılması onu grafene dönüştürür. ⓘ

Kimyasal buhar biriktirme

Epitaksi

Silisyum karbür üzerinde epitaksiyel grafen büyütme, grafen üretmek için gofret ölçeğinde bir tekniktir. Epitaksiyel grafen, izole grafenin iki boyutlu elektronik bant yapısını korumak için yüzeylere yeterince zayıf bir şekilde (Van der Waals kuvvetleri yaratan aktif valans elektronları tarafından) bağlanabilir. ⓘ

Seyreltik hidroflorik aside batırılmış bir germanyum (Ge) tabakası ile kaplanmış normal bir silikon levha, doğal olarak oluşan germanyum oksit gruplarını sıyırarak hidrojenle sonlandırılmış germanyum oluşturur. CVD bunu grafen ile kaplayabilir. ⓘ

Yüksek dielektrik sabitine (yüksek κ) sahip yalıtkan TiO₂ üzerinde grafenin doğrudan sentezi. İki aşamalı bir CVD işleminin, herhangi bir metal katalizör kullanmadan doğrudan TiO₂ kristalleri veya pul pul dökülmüş TiO₂ nanosheets üzerinde grafen büyüttüğü gösterilmiştir. ⓘ

Metal substratlar

CVD grafen, rutenyum, iridyum, nikel ve bakır dahil olmak üzere metal alt tabakalar üzerinde büyütülebilir. ⓘ

Rulodan ruloya

2014 yılında iki aşamalı rulodan ruloya üretim süreci duyuruldu. Rulodan ruloya ilk adımda kimyasal buhar biriktirme yoluyla grafen üretiliyor. İkinci adım grafeni bir alt tabakaya bağlar. ⓘ

CVD grafenin 150 mm SiO₂/Si levhalar üzerinde biriktirilmiş Cu ince film üzerindeki geniş alan Raman haritalaması, >%95 tek katman sürekliliği ve I_2D/I_G için ~2,62 ortalama değer ortaya koymaktadır. Ölçek çubuğu 200 μm'dir. ⓘ

Soğuk duvar

Endüstriyel bir dirençli ısıtmalı soğuk duvar CVD sisteminde grafen yetiştirmenin, geleneksel CVD sistemlerinden 100 kat daha hızlı grafen ürettiği, maliyetleri %99 oranında düşürdüğü ve gelişmiş elektronik niteliklere sahip malzeme ürettiği iddia edildi. ⓘ

Wafer ölçekli CVD grafen

CVD grafen ölçeklendirilebilir ve Axitron Black Magic sistemi üzerinde 100 ila 300 mm standart Si/SiO₂ gofretler üzerinde biriktirilmiş Cu ince film katalizörü üzerinde büyütülmüştür. Kapsamlı Raman haritalama ile teyit edilen ihmal edilebilir kusurlarla 100 ila 300 mm gofret alt tabakalarında >%95'lik tek katmanlı grafen kaplaması elde edilmiştir. ⓘ

Çözücü arayüzey yakalama yöntemi (SITM)

D. H. Adamson liderliğindeki bir grup tarafından bildirildiği üzere, grafen, çözücü arayüzey yakalama yöntemi (SITM) kullanılarak tabakaların bütünlüğü korunarak doğal grafitten üretilebilir. SITM, grafiti grafene dönüştürmek için yağ ve su gibi yüksek enerjili bir arayüz kullanır. Yığılmış grafit, arayüzey enerjisini en aza indirmek için yayılan küçük moleküllü yüzey aktif maddelerle aynı şekilde termodinamik olarak elverişli bir süreçte birkaç katmanlı grafen üretmek için yağ / su arayüzeyinde ayrılır veya yayılır. Bu şekilde grafen, 2 boyutlu bir yüzey aktif madde gibi davranır. SITM, iletken polimer-grafen köpükler, iletken polimer-grafen mikroküreler, iletken ince filmler ve iletken mürekkepler gibi çeşitli uygulamalar için rapor edilmiştir. ⓘ

Karbondioksit azaltımı

Yüksek derecede ekzotermik bir reaksiyon, karbondioksit ile bir oksidasyon-redüksiyon reaksiyonunda magnezyumu yakarak grafen ve fullerenler dahil karbon nanopartikülleri üretir. ⓘ

Süpersonik sprey

Bir Laval nozulundan geçen damlacıkların süpersonik hızlandırılması, bir alt tabaka üzerinde indirgenmiş grafen-oksit biriktirmek için kullanılmıştır. Çarpmanın enerjisi, karbon atomlarını kusursuz grafen olarak yeniden düzenler. ⓘ

Lazer

2014 yılında, bir CO
₂ kızılötesi lazer, ticari polimer filmlerden desenli gözenekli üç boyutlu lazerle indüklenmiş grafen (LIG) film ağları üretmek için kullanılmıştır. Elde edilen malzeme yüksek elektrik iletkenliği ve yüzey alanı sergilemektedir. Lazer indüksiyon süreci rulodan ruloya üretim süreçleriyle uyumludur. Benzer bir malzeme olan lazerle indüklenmiş grafen fiberler (LIGF) 2018 yılında rapor edilmiştir. ⓘ

Flaş Joule ısıtma

2019 yılında, flaş Joule ısıtmanın (geçici yüksek sıcaklıkta elektrotermal ısıtma) turbostratik grafeni yığın toz formunda sentezlemek için bir yöntem olduğu keşfedildi. Yöntem, karbon siyahı, kömür ve gıda atıkları gibi çeşitli karbon kaynaklarının elektrotermal olarak mikron ölçekli grafen pullarına dönüştürülmesini içeriyor. Daha yeni çalışmalar, karışık plastik atıkların, atık kauçuk lastiklerin ve piroliz külünün karbon hammaddesi olarak kullanıldığını göstermiştir. Grafenizasyon süreci kinetik olarak kontrol edilir ve enerji dozu karbonu grafenik durumunda korumak için seçilir (aşırı enerji girişi tavlama yoluyla daha sonra grafitleşmeye yol açar). ⓘ

İyon implantasyonu

Karbon iyonlarının bir elektrik alanı içinde SiO₂/Si substratı üzerinde ince nikel filmlerden oluşan bir yarı iletkene hızlandırılması, 500 °C gibi nispeten düşük bir sıcaklıkta gofret ölçeğinde (4 inç (100 mm)) kırışıklık/yırtık/kalıntı içermeyen bir grafen tabakası oluşturur. ⓘ

CMOS uyumlu grafen

Grafenin yaygın olarak kullanılan CMOS üretim sürecine entegrasyonu, 500 °C'nin altındaki sıcaklıklarda dielektrik alt tabakalar üzerinde aktarımsız doğrudan sentezini gerektirmektedir. IEDM 2018'de Santa Barbara'daki Kaliforniya Üniversitesi'nden araştırmacılar, 300 °C'de hat arkası (BEOL) uygulamalarına uygun yeni bir CMOS uyumlu grafen sentez sürecini gösterdiler. Süreç, ince bir metal katalizör filmi aracılığıyla karbonun basınç destekli katı hal difüzyonunu içeriyor. Sentezlenen geniş alanlı grafen filmlerin, 20 nm genişliğe kadar aynı kesite sahip yüksek sıcaklıkta CVD ile sentezlenen grafen filmlerle karşılaştırıldığında yüksek kaliteli (Raman karakterizasyonu yoluyla) ve benzer direnç değerleri sergilediği gösterilmiştir. ⓘ

Simülasyon

Grafen ve grafen tabanlı cihazların deneysel olarak incelenmesinin yanı sıra, sayısal modelleme ve simülasyonları da önemli bir araştırma konusu olmuştur. Kubo formülü grafenin iletkenliği için analitik bir ifade sağlar ve bunun dalga boyu, sıcaklık ve kimyasal potansiyel dahil olmak üzere çeşitli fiziksel parametrelerin bir fonksiyonu olduğunu gösterir. Ayrıca, grafeni yerel ve izotropik iletkenliğe sahip sonsuz ince (iki taraflı) bir tabaka olarak tanımlayan bir yüzey iletkenlik modeli önerilmiştir. Bu model, bir grafen tabakasının varlığında elektromanyetik alan için analitik ifadelerin ikili Green fonksiyonu (Sommerfeld integralleri kullanılarak temsil edilir) ve heyecan verici elektrik akımı cinsinden türetilmesine izin verir. Bu analitik modeller ve yöntemler, kıyaslama amacıyla birkaç kanonik problem için sonuçlar sağlayabilse de, keyfi olarak şekillendirilmiş elektromanyetik cihazların tasarımı gibi grafeni içeren birçok pratik problem analitik olarak zorlayıcıdır. Hesaplamalı elektromanyetik (CEM) alanındaki son gelişmelerle birlikte, grafen levhalar ve/veya grafen tabanlı cihazlar üzerindeki elektromanyetik alan/dalga etkileşimlerinin analizi için çeşitli doğru ve verimli sayısal yöntemler kullanılabilir hale gelmiştir. Grafen tabanlı cihazları/sistemleri analiz etmek için geliştirilen hesaplama araçlarının kapsamlı bir özeti önerilmektedir. ⓘ

Grafen analogları

Grafen analogları ("yapay grafen" olarak da adlandırılır) grafene benzer özellikler sergileyen iki boyutlu sistemlerdir. Grafen analogları, 2004 yılında grafenin keşfinden bu yana yoğun bir şekilde çalışılmaktadır. İnsanlar fiziğin grafene göre daha kolay gözlemlenebildiği ve manipüle edilebildiği sistemler geliştirmeye çalışmaktadır. Bu sistemlerde kullanılan parçacıklar her zaman elektronlar değildir. Bunlar optik fotonlar, mikrodalga fotonları, plazmonlar, mikro boşluk polaritonları ve hatta atomlar olabilir. Ayrıca, bu parçacıkların içinde geliştiği petek yapısı grafendeki karbon atomlarından farklı bir yapıda olabilir. Sırasıyla, bir fotonik kristal, bir dizi metalik çubuk, metalik nanoparçacıklar, birleştirilmiş mikro boşluklardan oluşan bir kafes veya bir optik kafes olabilir. ⓘ

Uygulamalar

(a) Bir dokunmatik paneldeki dokunmatik sensörün tipik yapısı. (Resim Synaptics, Incorporated'ın izniyle.) (b) 2D Carbon Graphene Material Co, Ltd'nin grafen şeffaf iletken tabanlı dokunmatik ekranının (c) ticari bir akıllı telefonda kullanılan gerçek bir örneği. ⓘ

Grafen, güneş pilleri, ışık yayan diyotlar (LED), dokunmatik paneller ve akıllı pencereler veya telefonlar dahil olmak üzere çeşitli malzeme/cihaz uygulamaları için büyük umut vaat eden şeffaf ve esnek bir iletkendir. Grafen dokunmatik ekranlı akıllı telefon ürünleri halihazırda piyasada bulunmaktadır. ⓘ

2013 yılında Head yeni grafen tenis raketi serisini duyurdu. ⓘ

2015 yılı itibariyle, ticari kullanım için mevcut bir ürün bulunmaktadır: grafenle aşılanmış yazıcı tozu. Elektronik, biyolojik mühendislik, filtrasyon, hafif/güçlü kompozit malzemeler, fotovoltaik ve enerji depolama gibi alanlarda grafen için başka birçok kullanım önerilmiş veya geliştirilmektedir. Grafen genellikle bir toz olarak ve bir polimer matrisi içinde bir dispersiyon olarak üretilir. Bu dispersiyonun gelişmiş kompozitler, boyalar ve kaplamalar, yağlayıcılar, yağlar ve fonksiyonel sıvılar, kapasitörler ve bataryalar, termal yönetim uygulamaları, ekran malzemeleri ve ambalajlama, güneş pilleri, mürekkepler ve 3D yazıcı malzemeleri ile bariyerler ve filmler için uygun olduğu düşünülmektedir. ⓘ

2 Ağustos 2016'da, BAC'ın yeni Mono modelinin hem caddeye uygun bir pist arabası hem de bir üretim arabası olarak bir ilk olarak grafenden yapıldığı söyleniyor. ⓘ

Ocak 2018'de, oda sıcaklığında kinetik endüktansı kullanan grafen bazlı spiral indüktörler ilk kez Kaustav Banerjee liderliğindeki Santa Barbara Kaliforniya Üniversitesi'nde gösterildi. Bu indüktörlerin radyo frekansı entegre devre uygulamalarında önemli ölçüde minyatürleştirmeye olanak sağlayacağı tahmin ediliyordu. ⓘ

SiC üzerindeki epitaksiyel grafenin metroloji için potansiyeli 2010 yılından bu yana gösterilmiş ve tek katmanlı epitaksiyel grafende milyarda üç parçalık kuantum Hall direnci niceleme doğruluğu sergilenmiştir. Yıllar içinde Hall direnci kuantizasyonunda trilyonda parça hassasiyetleri ve dev kuantum Hall platoları gösterilmiştir. Epitaksiyel grafenin kapsüllenmesi ve katkılanmasındaki gelişmeler, epitaksiyel grafen kuantum direnç standartlarının ticarileştirilmesine yol açmıştır. ⓘ

2021 yılında, yüzey aktif madde ile işlevselleştirilmiş grafen tozunun betona eklendiğinde basınç, çekme ve eğilme dayanımını artırdığı gösterilmiştir. ⓘ

Toksisite

Grafen toksisitesi üzerine 2016 yılında Lalwani ve arkadaşları tarafından yayınlanan bir derleme, in vitro, in vivo, antimikrobiyal ve çevresel etkileri özetlemekte ve grafen toksisitesinin çeşitli mekanizmalarını vurgulamaktadır. Ou ve arkadaşları tarafından 2016 yılında yayınlanan bir başka derleme grafen ailesi nanomalzemelerine (GFN'ler) odaklanmış ve fiziksel yıkım, oksidatif stres, DNA hasarı, enflamatuar yanıt, apoptoz, otofaji ve nekroz gibi çeşitli tipik mekanizmaları ortaya koymuştur. ⓘ

2020 yılında yapılan bir çalışma, grafenin toksisitesinin şekil, boyut, saflık, üretim sonrası işleme adımları, oksidatif durum, fonksiyonel gruplar, dağılım durumu, sentez yöntemleri, uygulama yolu ve dozu ve maruz kalma süreleri gibi çeşitli faktörlere bağlı olduğunu göstermiştir. ⓘ

2014 yılında Stony Brook Üniversitesi'nde yapılan bir araştırma grafen nanoribbonların, grafen nanoplateletlerin ve grafen nano-iyonların 50 μg/ml'ye kadar olan konsantrasyonlarda toksik olmadığını göstermiştir. Bu nanopartiküller, insan kemik iliği kök hücrelerinin osteoblastlara (kemik) veya adipositlere (yağ) doğru farklılaşmasını değiştirmez, bu da düşük dozlarda grafen nanopartiküllerinin biyomedikal uygulamalar için güvenli olduğunu gösterir. 2013 yılında Brown Üniversitesi'nde yapılan bir araştırma, 10 μm'lik az katmanlı grafen pullarının çözeltideki hücre zarlarını delebildiğini ortaya koymuştur. Başlangıçta keskin ve tırtıklı noktalardan girerek grafenin hücre içinde içselleştirilmesini sağladıkları gözlemlenmiştir. Bunun fizyolojik etkileri bilinmemektedir ve bu nispeten keşfedilmemiş bir alan olmaya devam etmektedir. ⓘ

Sentezlenmesi

2004 yılında şaşırtıcı bir şekilde bilimadamları iki boyutlu grafen kristallerini ayırmayı başardılar. Andre Geim, Kostya Novoselov ve proje arkadaşları sıradan bir yapışkan selobantı grafit üzerine tekrar tekrar yapıştırıp kaldırarak tekil grafen katmanını ayırmayı başardılar ve izole ettikleri grafen katmanını basit bir optik mikroskop ile gözlemlediler. Bu olay ilk başlarda pek dikkat çekmedi. Fakat daha sonraları grafende keşfedilen kütlesiz Dirac fermiyonları, anormal kuantum hall etkisi, oda sıcaklığında balistik taşınma, Klein paradoksu gibi yeni olgular grafende deneysel olarak gözlendi. Bunlar sonucunda grafene olan ilgi son derece arttı ve artmaya da devam etmekte. ⓘ

Grafen yaygın olarak şu yöntemler ile elde edilmekte:

1. Katman Ayırma Yöntemi (Eksfoliasyon Yontemi)
2. Epitaksiyel Büyütme
3. Silisyum-Karbon Yöntemi
4. Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi ⓘ

Katman Ayırma Yöntemi (Eksfoliasyon Yontemi)

Grafit tabakası bir yüzey üzerine kaydırılarak grafen katmanlarının ayrışması sağlanır. Grafitin selobant ile katmanlarını ayrıştırılması da bu metot içerisinde değerlendirlir. Grafenin ilk kez sentezlenmesi Manchester grubu tarafından bu yöntem kullanılarak gerçekleştrilmiştir. 100 mikrometre büyüklükte grafen parçacıkları bu metot ile sentezlenebilmektedir. ⓘ

Epitaksiyel Büyütme

Bir alttaş üzerinde grafenin büyütülmesidir. Grafenin büyütüldüğü alttaş grafen ile etkileşebilmektedir. ⓘ

Silisyum-Karbon Yöntemi

Silisyum-karbonun yaklaşık 1100 dereceye kadar ısıtılması ve silisyum atomlarının buharlaşması sonucu kalan karbon atomlarının kendi aralarında grafen oluşturması metodudur. Oluşan grafen parçacıkları diğer metotlar ile karşılaştırıldığında küçük kalmaktadır. ⓘ

Kimyasal Ayrıştırma Yöntemi

Grafit tabakalarının arasına sitrik asit gibi kimyasallların katılması ile grafen tabakalarının ayrıştırılması sağlanabilmektedir. ⓘ

Grafen Nanoşeritler

Kusursuz grafen iki yönde sonsuza kadar uzanan bir örtü gibidir. Gerçekçi grafen ise girinti ve çıkıntılardan oluşan kenarlara sahiptir. Bu girinti ve çıkıntılar grafen kristali yeterince büyük ise etkisiz olmaktadır. Sentezlenen grafen parçaları sonlu olsa da sergiledikleri fiziksel özellikler sonsuz grafene benzerdir. Çok küçük grafen şeritlerinde kenarların etkileri ortaya çıkar ve grafen nanoşeritler grafenden ayrı olarak incelenmeyi hak etmektedirler. ⓘ

Grafen şeritler sahip oldukları kalınlığa ve kenarlarının tipine göre göre farklı özellikler sergilemektedirler. Şekil XXX-a da iki grafen şerit görünmektedir. Birincisi bilimsel literaturde "armchair" olarak adlandırılan kenarlara sahip olup birim hücresinde $n=20$ karbon atomu bulundurmaktadır. Yandaki şekilde ise (b) başka bir açıdan kesilerek elde edilmiş "zigzag" kenarlı ve birim hücresinde 10 elektron bulunduran grafen nanoşerit görünmektedir. ⓘ

Normal grafen kristallerinin yasak enerji aralığı sıfır iken, kalınlığı 1 nanometre civarında olan $n=14$ armchair grafen nanoşeridin 1.5 eV civarında bir yasak enerji aralığına sahip olduğu teorik çalışmalarda gösterilmiştir cohen. Yasak enerji aralığı şeritlerin kalınlığına bağlı olarak da değişiklikler göstermektedir. Belirli yönde kesilen grafen şeritlerden bazıları manyetik karakter sergilemektedir. Hatta Berkeley deki araştırmacılar bu manyetik şeritlerin uygulanan elektrik alan altında yarı-metal özellik gösterdiklerini de keşfetmişlerdir cohen-half. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı ve grubu ise grafen nanoşeritlerin kalınlık modifikasyonu neticesinde çoklu kuvantum kutu yapıları (MQW) oluşturdugunu, bu yapıların parçacık durumlarını şeridin belirli yerlerinde hapsedebildiklerini, daha da ilginci belirli şeritlerin parçacık spinlerini dahi hapsedebildiklerini göstermişlerdir agsl,apl. Parçacık durumlarının hapsolduğu bu nano yapıların geleceğin kuvantum-bilgisayarlarında kullanılabilecekleri hale getirilme çalışmaları da bilim adamlarınca yürütülmektedir cinliler. ⓘ

Stanford üniversitesinden H. Dai önderliğindeki araştırma grubu 10 nm kadar dar grafen şeritlerin sentezlenmesini başarmıştıragsl,apl. Daha dar şeritlerin sentezi ve mevcut şeritlerin kullanılması ile ilginç ve sıra dışı özellikli nanoteknoloji uygulamalarının ortaya çıkacağı beklenmektedir. ⓘ

Kullanım alanları

Grafen bilinen ilk iki boyutlu malzemedir ve bu özelliğiyle teknolojik uygulamalar hususunda oldukça ilgi çekmektedir. Grafenin rulo haline gelmiş formu olan karbon nanotüpler ile alakalı günümüze kadar elektronikten sağlığa birçok alanda binlerce kullanım alanı düşünülmüştür. Grafenin de karbon nanotüpler için ön görülen alanlarda adapte edilmesi mümkündür. Nanotüpler için edinilmiş deneyimlerden yararlanılması sayesinde grafen teknolojisinin önümüzdeki yıllarda büyük bir atılım gerçekleştirmesi ümit edilmektedir. Grafenin nanotüplere oranla daha basit olan elde ediliş teknikleri ve bu tekniklerin nanotüplere göre daha kontrol edilebilir olması grafenin nanotüp teknolojisi üzerine hakimiyet kurmasını da beraberinde getirebilir. ⓘ

Her ne kadar grafenin ilk sentezlenişi 2004 yılında gerçekleşmiş olsa da yapılan araştırmalar neticesinde gerçekçi kullanım alanları ortaya cıkarılabilmiştir. Örnek vermek gerekirse şunlar gösterebiliriz. ⓘ

Grafen Transistor

Grafenin akla gelen ilk uygulama alanı grafen kullanılarak elde edilmiş olan transistörlerdir. Manchester University The School of Physics and Astronomy'de Prof. Andre Geim ve Dr. Kostya Novoselov bir atom kalınlığında ve en fazla elli atom genişliğinde grafen transistörü geliştirdiler. Grafen dik yöndeki elektrik alana verdiği tepkiden dolayı FET yapımına uygundur. Bu transistör oda sıcaklığında çalıştığından elektronik aygıtlar için oldukça önemlidir. Bu aygıtların başında quantum noktaları, devreler arası bağlaç aygıtlar ve mantık kapıları gelmektedir. Günümüzdeki silisyum tabanlı elektronik teknolojisi gün geçtikçe sınırlarına yaklaşmaktadır. Çünkü silisyum çok küçük ölçeklerde kararlılığını kaybetmekte ve daha başka problemler ortaya çıkmaktadır. Yarı iletken endüstrisinin elektronik bileşenlerin küçültülmesi konusunda gelecek yirmi yıl içinde karşı karşıya kalması beklenen en büyük sorunlardan biri olan alt sınıra ulaşılması grafen sayesinde aşılabilecek gibi duruyor. Silikon tabanlı teknoloji alt sınıra ulaştığı zaman sadece tek bir atom kalınlığındaki grafen, bu soruna bir alternatif oluşturabilecek. Bu sebebten INTEL ve IBM gibi dev teknoloji şirketleri grafen ile alakalı araştırmaları etkin bir biçimde desteklemektedirler. ⓘ

Grafen ve pil teknolojisi

Grafen, sağlam olduğu kadar iyi de elektrik tutmakta ve bu özelliğinin pil teknolojisinde devrim yaratması beklenmektedir. Elmas keskilerine dayanacak kadar güçlü bir karbon tabakası olan grafenin, yongaların bileşiminde silikonun yerini alabilecek olmanın yanı sıra şarj ömrünü de inanılmaz uzatabileceği düşünülmektedir. ⓘ

Amerika Birleşik Devletleri'nde bulunan Teksas Üniversitesi'nin araştırmacıları, normal pillerden daha güçlü elektrik depoları olan ultrakapasitörleri grafen tabanlı olarak imal etmeyi başardılar. Sonuç, normalin iki katı kapasiteye sahip olan ultrakapasitörler oldu. ⓘ

Grafen Sensörler

Grafenin sensör teknolojisinde kullanılması da bir diğer kayda değer gelişmelerdendir. Yine Andre Geim ve grup elamanları grafeni kullanarak azot dioksit moleküllerinin grafen yüzeyine yapışma ve ayrılmasını moleküler hassasiyette tespit etmeyi başardılar sensor. Grafen kullanarak NEMS sistemleri yapmak da mümkündür. Cornell Üniversitesinden araştırmacılar grafeni son derce hassas elektromekanik rezonatör yapımında kullanmışlardır resonator. ⓘ

Grafen ve Hidrojen Depolama

Pil teknolojisinde olduğu gibi hidrojen depolamada da grafen malzemesi oldukça önemli roller üstlenebilir. Artan küresel ısınma ve fosil yakıtların gün geçtikçe azalması araştırmacıları yeni arayışlara itmektedir. Hidrojenin verimli bir şekilde depolanıp elektrik enerjisi gereken yerlerde kullanılması için oldukça yoğun araştırmalar yürütülmektedir. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı ve grubunun yaptığı teorik modellemeler neticesinde Lityum atomlarının grafen üzerine yapışması sonucu oluşan yapının ağırlığının %12 si kadar hidrojeni depolayabileceği öngörülmüştür. ⓘ

Grafen ve spintronik

Spintronik teknolojisi de günümüzde oldukça önem kazanmaya başlamıştır. Elektronların yüküne ek olarak sahip oldukları spinlerini de kullanmaya çalışan bu teknoloji günümüz bilgi depolama sistemlerinde hayati öneme sahip bulunmaktadır. Grafen nanoşeritlerin de sahip oldukları manyetik özellikler sayesinde spintronikte kullanım alanları doğmaktadır. Bilkent Üniversitesinden Salim Çıracı'nın spin durumlarının grafen şeritlerinde hapsolmasını öngören çalışmasına ek olarak Tuğrul Senger'in Hasan Şahin ile yaptığı çalışma Türk bilim adamlarının bu konudaki katkılarına örnek gösterilebilir. Ayrıca grafen nanoşeritleri Demir ve Titanyum atomları katkılanarak yarı metal özellik kazanabilmektedir. Belirli spin yönününde akım geçirip diğer yönde yalıtkan olan yarı-metal malzemeler de spintronik teknolojisinde önemli yere sahiptir. ⓘ

Yapısı ve kullanım alanları

Grafen, grafit yapısının tek katmanıdır. İki boyutlu bu yapı iletkendir. Belli düzenlerle kesilip yuvarlanırsa karbon nanotüpler elde edilebilir. ⓘ

Kusursuz grafenler tamamıyla altıgen hücrelerden oluşurlar; beşgen ve yedigen hücreler yüzey üzerindeki hatalar olarak varsayılır. Eğer izole edilmiş bir beşgen hücre varsa bu zamanla konik bir şekil alır. Aynı şekilde yedigen bir hücre de semer şekilli bir yapıya dönüşür. Beşgen ve yedigen hücrelerin kontrollü birleşimleri ile değişik şekiller elde edilebilir. ⓘ

Tek duvarlı karbon nanotüpler grafen silindirleri olarak düşünülebilir, bazı nanotüplerde iki uçta altıgen hücreden kapaklar bulunur. Grafen son zamanlarda teknoloji geliştiricilerinin dikkatini çekmiştir. Georgia Tech araştırmacıları Mart 2006'da grafenlerden oluşan alan-efekti transistörleri ve kuantum girişim aygıtları üretmeyi başarmıştır. ⓘ

Şerit grafen

Şerit grafenler kenar yapısına göre düz ya da zigzag olarak ayrılırlar. Şerit grafenler spin bağımlı özellikleri ile dikkat çekerler. Yapılan deneyler ve kuramsal hesaplar, zigzag grafen şeritlerin kernar bölgelerinde yerelleşmiş elektronların zıt spin özelliğine sahip olduklarını göstermiştir. Fakat düz kenarlı grafit şeritlerde bu durum gözlenmemektedir. Zıt spin yapılarının her iki tarafta Fermi seviyesine yakın bulunmaları, şerit grafenleri potansiyel spin ayracı konumuna getirmektedir. ⓘ

Grafen optik modülatör

Grafenin Fermi seviyesi ayarlandığı zaman, optiksel soğurma özelliği de değişebilir. 2011 yılında Kaliforniya Berkeley Üniversite'sindeki araştırmacılar, ilk grafen tabanlı optiksel modülatörü bildirdiler. Herhangi bir sıcaklık kontrolcüsü olmaksızın 1,2 GHz seviyesinde çalışmaktadır ve bu modülatörün geniş bir bant aralığı (1.3 μm den 1.6 μm ye kadar) vardır. ⓘ