Grafen

Grafen, or graphene, is een twee-dimensionale allotroom van koolstof die bestaat uit een enkele laag atomen gerangschikt in een hexagonale onderliggende structuur. Het is het dunst bekende materiaal en staat bekend om zijn buitengewone sterkte, stijfheid en elektrische geleidbaarheid. Graphene werd in 2004 voor het eerst geïsoleerd door Andre Geim en Konstantin Novoselov met behulp van micromechanische exfoliatie (tape-extractie), een prestatie die hen in 2010 de Nobelprijs voor natuurkunde opleverde.

Structuur en elektronische eigenschappen

Graphene bestaat uit een twee-dimensionale koolstofnetwerk met sp2-hybridisatie, wat leidt tot sterke covalente bindingen en een vlakke hexagonale kaart. De elektronstructuur omvat lineaire dispersie bij de zogenoemde Dirac-punten, waardoor elektronen zich als massaloze Dirac-fermionen gedragen. Het materiaal heeft een vrijwel nul gap (semi-metaal) en extreem hoge elektronische mobiliteit, wat leidt tot zeer hoge geleidbaarheid. De atomaire dikte is ongeveer 0,335 nanometer, en de laag is bijna volledig transparant, ongeveer 97,7% van het zichtbare licht absorberend.

Productie en varianten

Graphene kan worden geproduceerd door mechanische exfoliatie, chemical vapour deposition (CVD) op metalen zoals koper of nikkel, of via chemische/galvanische processen en ontledings-/reductieprocedures van grafenoxide. Varianten omvatten grafenoxide (GO) en gereduceerd grafenoxide (rGO), die goedkoper en gemakkelijker in bulk te produceren zijn maar minder perfecte kristalinale kwaliteit bieden.

Toepassingen en uitdagingen

Toepassingen zijn onder meer transistors en flexibele elektronica, transparante geleidende films, energieopslag (batterijen en supercondensatoren), versterkingsmaterialen voor komposieten, sensoren en membranen voor filtratie en desalinering. Uitdagingen omvatten het creëren van een geschikte bandgap voor digitale elektronica, grootschalige en kostenefficiënte productie, kwaliteitscontrole en integratie met bestaande technologieën. Grafen blijft een actief onderzoeksgebied met veelbelovende toekomstige toepassingen.