Grafen: definition, struktur, egenskaper och användningsområden

Struktur

Grafen är en enda atomtjock tvådimensionell skiva med kolatomer ordnade i ett regelbundet hexagonalt gitter. Viktiga punkter:

• Varje kolatom bildar tre sp2-kovalenta bindningar med sina grannar; detta skapar ett mycket stabilt plan.
• Avståndet mellan intilliggande kolatomer i planet är cirka 1,42 Å och gitterkonstanten (mellan enhetsceller) är cirka 2,46 Å.
• Elektronstrukturen ger upphov till så kallade "Dirac-koner" vid energinivåerna nära Fermi-nivån, vilket innebär att laddningsbärare beter sig likt masslösa Diracfermioner.

Egenskaper

Grafen kombinerar flera extrema egenskaper, vilket gör materialet särskilt intressant för forskning och tillämpningar:

• Mechanisk styrka: Grafen är ett av de starkaste kända materialen med en beräknad Youngs modul runt 1 terapascal (TPa) och en brottstyrka i storleksordningen 100–130 GPa för felfritt material.
• Elektrisk ledningsförmåga: Mycket hög elektronmobilitet — i bästa prov uppmätt till över 200 000 cm²/V·s (i praktiska, substratstödda prover är typiska värden lägre). Detta gör grafen lovande för högfrekventa och snabba elektroniska komponenter.
• Termisk ledningsförmåga: Mycket hög värmeledning, uppskattningar och mätningar ligger ofta i intervallet 2000–5000 W/m·K beroende på provkvalitet och mätmetod.
• Optiska egenskaper: En enda grafenplatta absorberar ungefär 2,3 % av synligt ljus — grafen är alltså nästintill transparent men ändå elektriskt ledande.
• Impermeabilitet: En ideal grafenfilm är ogenomtränglig för gaser, vilket gör den intressant för barriär- och filterapplikationer.
• Elektroniska begränsningar: Grafen har ingen bandlucka (bandgap) i sitt idealiska tillstånd, vilket gör det svårt att stänga av strömmen helt i traditionella fälteffekttransistorer — en utmaning för digital logik.

Framställning och bearbetning

Olika metoder används för att producera grafen beroende på önskad kvalitet och kvantitet:

• Mechanisk exfoliering: Den klassiska "tejpmetoden" som användes av Geim och Novoselov för att isolera enkla grafenlager; ger högkvalitativa små prov men är inte skalbar.
• Kemisk ångavlagring (CVD): Vanligt för att framställa stora, kontinuerliga grafenfilmer på metallytor (t.ex. koppar) som sedan kan överföras till andra substrat.
• Epitaxi på kiselkarbid (SiC): Uppvärmning av SiC för att sublimerande kisel ger ett grafenlager på ytan; används för vissa elektroniktillämpningar.
• Kemisk reduktion av grafenoxid: En våtkemisk väg som kan ge stora mängder grafen-liknande material men ofta med fler defekter och resterande syrefunktionella grupper.

Användningsområden

Grafens unika kombination av egenskaper öppnar för många potentiella tillämpningar:

• Elektronik: Högfrekventa transistorer, transparenta ledande filmer för displayer och touchskärmar, samt tester av nya enhetstyper (t.ex. tunnfilmselektronik).
• Energilagring: Grafen används i forskning och kommersiella försök för att förbättra batterier och i särskilt högpresterande superkondensatorer tack vare hög yta och ledningsförmåga.
• Kompositer och materialförstärkning: Tillsats av grafen kan öka mekanisk styrka, elektrisk ledningsförmåga eller värmeledning i polymerer och metaller vid låga massandelar.
• Sensorer: Mycket känslig för förändringar i omgivningen (gaser, biomolekyler), vilket gör grafen intressant för kemiska och biologiska sensorer.
• Membran och filter: Genom att skapa kontrollerade porer i grafen kan man utveckla membran för avsaltning, gasseparation och rening.
• Optik och fotonik: Snabba fotodetektorer, optiska modulatorer och transparenta elektroder i solceller och displayer.

Begränsningar och utmaningar

Trots lovande egenskaper finns flera praktiska svårigheter kvar:

• Att tillverka stora mängder högkvalitativ grafen kostnadseffektivt och repeterbart är fortfarande en utmaning.
• Frånvaron av ett naturligt bandgap gör grafen mindre lämpligt för traditionell digital logik utan modifiering (t.ex. genom nanostrukturer eller kemisk funktionalisering).
• Defekter, kontaminanter och gränsskikt mot substrat påverkar elektriska och mekaniska egenskaper negativt.
• Hälsa- och miljöaspekter vid storskalig produktion och användning behöver utredas vidare.

Nobelpriset i fysik 2010 tilldelades Sir Andre Geim och Sir Konstantin Novoselov "för banbrytande experiment med det tvådimensionella materialet grafen". Deras arbete, baserat på enkel exfoliering och noggrann mätning av grafens egenskaper, gav kraftig stimulans åt fältet och visade hur rik fysik och tillämpningar grafen kan erbjuda.

Forskningen på grafen fortsätter snabbt och nya varianter (t.ex. funktionaliserad grafen, staplade van der Waals-strukturer med andra 2D-material) öppnar ytterligare möjligheter inom materialvetenskap, elektronik, energi och bioteknik.

Superkondensatorer av grafen är bara ett exempel på praktiska tillämpningar som redan nått kommersiella eller demonstrationsstadier; fortlöpande förbättringar i produktion och integration avgör hur snabbt grafen kommer att användas i ännu fler produkter.