Grafen, en todimensionel form af krystallinsk kulstof, enten et enkelt lag carbonatomer, der danner en bikagegruppe (hexagonal) eller flere koblede lag af denne bikagestruktur. Ordet grafen, når det bruges uden at specificere formen (f.eks. Dobbeltlags-grafen, flerlags-grafen), henviser normalt til enkeltlags-grafen. Grafen er en overordnet form for alle grafiske strukturer af kulstof: grafit, som er en tredimensionel krystal bestående af relativt svagt koblede grafenlag; nanorør, der kan være repræsenteret som ruller af grafen; og buckyballs, sfæriske molekyler fremstillet af grafen med nogle hexagonale ringe erstattet af femkantede ringe.
Første undersøgelser af grafen
Den teoretiske undersøgelse af grafen blev startet i 1947 af fysiker Philip R. Wallace som et første skridt til at forstå den elektroniske struktur af grafit. Udtrykket grafen blev introduceret af kemikere Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton og Eberhard Stumpp i 1986 som en kombination af ordet grafit, der henviser til kulstof i dens ordnede krystallinske form, og suffikset -en med henvisning til polycykliske aromatiske kulbrinter, hvori carbonatomer danner hexagonale eller seks-sidede ringstrukturer.
I 2004 isolerede fysikere fra University of Manchester Konstantin Novoselov og Andre Geim og kolleger enkeltlags grafen ved hjælp af en ekstremt enkel metode til affoliering fra grafit. Deres "scotch-tape-metode" brugte klæbebånd til at fjerne de øverste lag fra en prøve af grafit og derefter påføre lagene på et underlagsmateriale. Da båndet blev fjernet, forblev noget grafen på underlaget i enlagsform. Faktisk er afledning af grafen ikke en vanskelig opgave i sig selv; hver gang nogen tegner med en blyant på papir, indeholder blyantsporet en lille brøkdel af enkeltlags- og flerlags-grafen. Opnåelsen af Manchester-gruppen var ikke kun at isolere grafenflager, men også at undersøge deres fysiske egenskaber. De demonstrerede især, at elektroner i grafen har en meget høj mobilitet, hvilket betyder, at grafen muligvis kunne bruges til elektroniske applikationer. I 2010 blev Geim og Novoselov tildelt Nobelprisen for fysik for deres arbejde.
I disse første eksperimenter var substratet for grafen silicium, der naturligt blev dækket af et tyndt transparent lag af siliciumdioxid. Det viste sig, at enkeltlags grafen skabte en optisk kontrast med siliciumdioxid, der var stærk nok til at synliggjøre grafen under et standardoptisk mikroskop. Denne synlighed har to årsager. For det første interagerer elektroner i grafen meget stærkt med fotoner i det synlige lysfrekvens, idet de optager ca. 2,3 procent af lysets intensitet pr. Atomlag. For det andet forbedres den optiske kontrast kraftigt af interferensfænomener i siliciumdioxidlaget; dette er de samme fænomener, der skaber regnbuefarver i tynde film, såsom sæbefilm eller olie på vand.
