Grafēns, kristāliska oglekļa divdimensiju forma, vai nu viens oglekļa atomu slānis, kas veido šūnveida (sešstūrainu) režģi, vai arī vairāki savienoti šīs šūnveida struktūras slāņi. Vārds grafēns, ja to lieto, nenorādot formu (piemēram, divslāņu grafēns, daudzslāņu grafēns), parasti norāda uz viena slāņa grafēnu. Grafēns ir oglekļa visu grafisko struktūru sākotnējā forma: grafīts, kas ir trīsdimensiju kristāls, kas sastāv no salīdzinoši vāji savienotiem grafēna slāņiem; nanocaurules, kuras var attēlot kā grafēna ruļļus; un sprādzienbumbas, sfēriskas molekulas, kas izgatavotas no grafēna ar dažiem sešstūra gredzeniem, ko aizvieto ar piecstūrveida gredzeniem.
Pirmie grafēna pētījumi
Grafēna teorētisko izpēti 1947. gadā uzsāka fiziķis Filips R. Wallace kā pirmais solis, lai izprastu grafīta elektronisko struktūru. Terminu grafēns 1986. gadā ieviesa ķīmiķi Hanns-Peter Boehm, Ralfs Settons un Eberhards Stumpp kā vārda grafīts kombināciju, atsaucoties uz oglekli tā sakārtotajā kristāliskajā formā, un sufiksu -ene, atsaucoties uz policikliskiem aromātiskiem ogļūdeņražiem, kuros oglekļa atomi veido sešstūrainas vai sešpusējas gredzenveida struktūras.
Mančestras Universitātes fiziķi Konstantīns Novoselovs un Andrejs Geims un kolēģi 2004. gadā izolēja vienslāņa grafēnu, izmantojot īpaši vienkāršu lobīšanās metodi no grafīta. Viņu “skotu lentes metode” izmantoja līmlenti, lai noņemtu augšējos slāņus no grafīta parauga un pēc tam slāņus uzklātu uz pamatnes materiāla. Kad lente tika noņemta, daži grafēns palika uz pamatnes vienslāņu formā. Faktiski grafēna iegūšana pati par sevi nav grūts uzdevums; katru reizi, kad kāds zīmē ar zīmuli uz papīra, zīmuļa pēdas satur nelielu daļu no viena slāņa un daudzslāņu grafēna. Mančesteras grupas sasniegums bija ne tikai grafēna pārslu izolēšana, bet arī to fizikālo īpašību izpēte. Jo īpaši viņi parādīja, ka elektroni grafēnā ir ļoti augsta mobilitāte, kas nozīmē, ka grafēnu, iespējams, varētu izmantot elektroniskos pielietojumos. 2010. gadā Geimam un Novoselovam par darbu tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.
Šajos pirmajos eksperimentos grafēna substrāts bija silīcijs, ko dabiski pārklāja ar plānu caurspīdīgu silīcija dioksīda slāni. Izrādījās, ka viena slāņa grafēns radīja optisko kontrastu ar silīcija dioksīdu, kas bija pietiekami stiprs, lai grafēnu padarītu redzamu zem standarta optiskā mikroskopa. Šai redzamībai ir divi iemesli. Pirmkārt, elektroni grafēnā ļoti spēcīgi mijiedarbojas ar fotoniem redzamās gaismas frekvencēs, absorbējot apmēram 2,3 procentus no gaismas intensitātes vienā atomu slānī. Otrkārt, optisko kontrastu stipri pastiprina traucējumu parādības silīcija dioksīda slānī; šīs ir tās pašas parādības, kas rada varavīksnes krāsas plānās kārtiņās, piemēram, ziepju plēvē vai eļļā uz ūdens.
