Grafen, dvodimenzionalna oblika kristalnega ogljika, bodisi enojna plast ogljikovih atomov, ki tvori satje (šesterokotna) rešetka, ali več sklopljenih slojev strukture satja. Beseda grafen, kadar se uporablja brez navedbe oblike (npr. Dvoslojni grafen, večplastni grafen), se običajno nanaša na enoslojni grafen. Grafen je matična oblika vseh grafitnih struktur ogljika: grafit, ki je tridimenzionalni kristal, sestavljen iz razmeroma šibko povezanih grafenskih plasti; nanocevke, ki so lahko predstavljene kot listke grafena; in kroglične kroglice, sferične molekule, narejene iz grafena z nekaterimi šestkotnimi obroči, ki jih nadomeščajo peterokotni obroči.
Prve študije grafena
Teoretični študij grafena je leta 1947 začel fizik Philip R. Wallace kot prvi korak k razumevanju elektronske strukture grafita. Izraz grafen so leta 1986 uvedli kemiki Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton in Eberhard Stumpp kot kombinacijo besede grafit, ki se nanaša na ogljik v svoji urejeni kristalni obliki, in pripono -ene, ki se nanaša na policiklične aromatične ogljikovodike ogljikovi atomi tvorijo šestkotne ali šeststranske obročne strukture.
Leta 2004 so fiziki Univerze v Manchestru Konstantin Novoselov in Andre Geim s sodelavci izolirali enoslojni grafen z izjemno preprostim postopkom pilinga iz grafita. Njihova „metoda s trakci“ je uporabila lepilni trak za odstranjevanje zgornjih slojev z vzorca grafita in nato nanašanje slojev na material podlage. Ko smo trak odstranili, je nekaj grafena ostalo na podlagi v enoslojni obliki. Pravzaprav pridobivanje grafena samo po sebi ni težka naloga; Vsakič, ko nekdo nariše s svinčnikom na papir, sled svinčnika vsebuje majhen del enoplastnega in večplastnega grafena. Dosežek skupine iz Manchestera ni bil samo izolirati grafenske kosmiče, ampak tudi preučiti njihove fizične lastnosti. Zlasti so dokazali, da imajo elektroni v grafenu zelo visoko mobilnost, kar pomeni, da bi lahko grafen uporabili tudi v elektronskih aplikacijah. Leta 2010 sta Geim in Novoselov za svoje delo prejela Nobelovo nagrado za fiziko.
V teh prvih poskusih je bil substrat za grafen silicij, naravno pokrit s tanko prozorno plastjo silicijevega dioksida. Izkazalo se je, da je enoslojni grafen ustvaril optični kontrast s silicijevim dioksidom, ki je bil dovolj močan, da je grafen viden pod standardnim optičnim mikroskopom. Ta vidnost ima dva vzroka. Prvič, elektroni v grafenu zelo močno komunicirajo s fotoni v frekvencah vidne svetlobe, pri čemer absorbirajo približno 2,3 odstotka intenzitete svetlobe na atomsko plast. Drugič, optični kontrast močno poveča interferenčni pojav v plasti silicijevega dioksida; gre za iste pojave, ki ustvarjajo mavrične barve v tankih filmih, kot sta milo film ali olje na vodi.
