Graphene, dvojrozmerná forma kryštalického uhlíka, buď jediná vrstva atómov uhlíka, ktorá vytvára voštinovú (hexagonálnu) mriežku alebo niekoľko spojených vrstiev tejto voštinovej štruktúry. Slovo grafén, pokiaľ sa používa bez uvedenia formy (napr. Dvojvrstvový grafén, viacvrstvový grafén), sa zvyčajne týka jednovrstvového grafénu. Grafén je materskou formou všetkých grafitických štruktúr uhlíka: grafit, čo je trojrozmerný kryštál pozostávajúci z relatívne slabo viazaných grafénových vrstiev; nanorúrky, ktoré môžu byť znázornené ako zvitky grafénu; a buckoly, sférické molekuly vyrobené z grafénu s niektorými hexagonálnymi kruhmi nahradenými pentagonálnymi kruhmi.
Prvé štúdie grafénu
Teoretické štúdium grafénu začalo v roku 1947 fyzik Philip R. Wallace ako prvý krok k pochopeniu elektronickej štruktúry grafitu. Termín grafén zaviedli chemici Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton a Eberhard Stumpp v roku 1986 ako kombinácia slova grafit, označujúca uhlík v jeho usporiadanej kryštalickej forme a prípona -én, označujúca polycyklické aromatické uhľovodíky, v ktorých atómy uhlíka tvoria šesťuholníkové alebo šesťstranné kruhové štruktúry.
V roku 2004 fyzici univerzity v Manchestri Konstantin Novoselov a Andre Geim a jeho kolegovia izolovali jednovrstvový grafén použitím mimoriadne jednoduchej metódy odlupovania z grafitu. Pri ich „metóde škótskej pásky“ sa na odstránenie vrchných vrstiev zo vzorky grafitu použila lepiaca páska a potom sa vrstvy naniesli na podkladový materiál. Po odstránení pásky zostal nejaký grafén na substráte v jednovrstvovej forme. V skutočnosti derivácia grafénu sama osebe nie je náročnou úlohou; Zakaždým, keď niekto kreslí ceruzkou na papier, stopa ceruzky obsahuje malú frakciu jednovrstvového a viacvrstvového grafénu. Výsledkom Manchesterskej skupiny nebolo len izolovať grafénové vločky, ale aj študovať ich fyzikálne vlastnosti. Predovšetkým preukázali, že elektróny v graféne majú veľmi vysokú mobilitu, čo znamená, že grafén by sa mohol prípadne použiť v elektronických aplikáciách. V roku 2010 dostali Geim a Novoselov za svoju prácu Nobelovu cenu za fyziku.
V týchto prvých pokusoch bol substrát pre grafén kremík prirodzene pokrytý tenkou priehľadnou vrstvou oxidu kremičitého. Ukázalo sa, že jednovrstvový grafén vytvára optický kontrast s oxidom kremičitým, ktorý je dostatočne silný na to, aby bol grafén viditeľný pod štandardným optickým mikroskopom. Táto viditeľnosť má dve príčiny. Po prvé, elektróny v graféne veľmi interagujú s fotónmi vo frekvenciách viditeľného svetla, absorbujúc asi 2,3 percent intenzity svetla na atómovú vrstvu. Po druhé, optický kontrast je silne zosilnený interferenčnými javmi vo vrstve oxidu kremičitého; jedná sa o rovnaké javy, ktoré vytvárajú dúhové farby v tenkých vrstvách, ako je film mydla alebo olej na vode.
