ด้านอิเล็กทรอนิกส์

แกรฟีนแตกต่างจากวัสดุสามมิติทั่วไป แกรฟีนที่แท้จริงเป็นสารกึ่งตัวนำแบบกึ่งโลหะหรือแบบช่องว่างเป็นศูนย์ การทำความเข้าใจโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ของแกรฟีน เป็นจุดเริ่มต้นในการหาแถบโครงสร้างของแกรไฟท์ ในปี 1947 พีอาร์ วอลเลซ ได้รับรู้ว่าความสัมพันธ์ระหว่างพลังงานกับโมเมนตัม (ความสัมพันธ์แบบกระจาย) เป็นเส้นตรง สำหรับ พลังงานต่ำ ใกล้มุมทั้งหกของ Brillouin โซนหกเหลี่ยมสองมิติ นำไปสู่มวลที่มีประสิทธิภาพเป็นศูนย์สำหรับอิเล็กตรอนและโฮล อิเล็กตรอนและโฮลใกล้จุดทั้งหกเหล่านี้ มีสองตัวที่ไม่เสมอกัน, ทำตัวเหมือนอนุภาคสัมพันธ์ ที่อธิบายได้โดยสมการ Dirac สำหรับ อนุภาค สปิน 1/2 ดังนั้น อิเล็กตรอนและโฮลจึงถูกเรียกว่า Dirac fermions และหกมุมของ Brillouin โซน จะถูกเรียกว่าจุด Dirac สมการที่อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างการกระจายตัวของอิเล็กตรอนเชิงเส้นคือ E = ℏ v F k x 2 + k y 2 {\displaystyle E=\hbar v_{F}{\sqrt {k_{x}^{2}+k_{y}^{2}}}} ; เมื่อ ความเร็ว Fermi vF ~ 106 m/s และ wavevector "k" จะวัดจากจุด Dirac (พลังงานเป็นศูนย์จะถูกเลือกที่นี่ให้ตรงกับจุด Dirac)

การขนส่งอิเล็กตรอน

ผลการทดลองจากการวัดการขนส่งแสดงให้เห็นว่า กราฟีนมีความสามารถในการเคลื่อนย้าย อิเล็กตรอนที่สูงอย่างน่าทึ่งที่อุณหภูมิห้อง โดยมีค่าตามรายงาน มากกว่า 15,000 cm2·V−1·s−1 นอกจากนี้ สัดส่วนของค่าการนำกระแสโดยการวัดจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า ความสามารถในการเคลื่อนที่ สำหรับโฮลและอิเล็กตรอนเกือบจะเป็นค่าเดียวกัน การเคลื่อนที่เกือบจะเป็นอิสระจากอุณหภูมิ ระหว่าง 10K ถึง 100K ซึ่งหมายความว่า กลไกการ กระจัดกระจายที่โดดเด่นเป็นข้อบกพร่อง การกระจัดกระจายโดย acoustic phonons ของ กราฟีนเป็นตัวจำกัดความสามารถที่แท้จริงในการเคลื่อนที่ในอุณหภูมิห้อง ที่ 200,000 cm2·V−1·s−1 ที่ความหนาแน่นของตัวขนส่งเท่ากับ 1012 cm−2 ความต้านทานของแผ่นกราฟีนที่สอดคล้องกันจะเป็น 10−6 Ω·cm ซึ่งน้อยกว่าความต้านทานของเงิน ที่เป็นสารให้ความต้านทานต่ำสุดเท่าที่รู้จักกันที่อุณหภูมิห้อง อย่างไรก็ตามสำหรับแกรฟีนบนพื้นผิว SiO2 การกระจัดกระจายของอิเล็กตรอน โดย phonons ของแสงของพื้นผิวเป็นผลขนาดใหญ่ที่อุณหภูมิห้องมากกว่าการกระจัดกระจายด้วย phonons ของตัวแกรฟีนเอง สิ่งนี้จำกัดการเคลื่อนที่ให้มีค่าอยู่ที่ 40,000 cm2·V−1·s−1

แม้ว่าที่จุดใกล้ Dirac points จะมีความหนาแน่นของตัวขนส่งเป็นศูนย์ แกรฟีนก็ยังให้การนำกระแสขั้นต่ำในราว 4 e 2 / h {\displaystyle 4e^{2}/h} ต้นตอของการนำกระแสขั้นต่ำนี้ก็ยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม รอยหยักของแผ่นกราฟีนหรือสิ่งสกปรกที่แตกตัวเป็นไอออนในสารตั้งต้น SiO2 อาจนำไปสู่​​แอ่งน้ำท้องถิ่นของตัวขนส่งที่ช่วยการนำกระแส มีหลายทฤษฎีที่ชี้ให้เห็นว่าการนำกระแสขั้นต่ำควรเป็น 4 e 2 / ( π h ) {\displaystyle 4e^{2}/{(\pi }h)} อย่างไรก็ตามการวัดส่วนใหญ่จะได้ค่าเป็น 4 e 2 / h {\displaystyle 4e^{2}/h} หรือมากกว่า และ ขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน

การทดลองที่ผ่านมาได้หยั่งอิทธิพลของสารเจือปนเคมีที่มีต่อการเคลื่อนที่ของตัวขนส่งในแกรฟีน Schedin และคนอื่นๆได้ทำการโด๊ปแกรฟีนด้วยก๊าซชนิดต่างๆ (บางตัวเป็นผู้รับ บางตัวเป็นผู้ให้) พบว่าสถานะเริ่มแรกที่ไม่ได้โด๊ปของโครงสร้างแกรฟีนสามารถกู้คืนได้โดยให้ความร้อนอย่างนุ่มนวลแก่แกรฟีนในสุญญากาศ พวกเขาได้รายงาน ว่าแม้ความเข้มข้นสารเจือปนเคมีในส่วนที่เกินจาก 1,012 cm2 ก็ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้ในความสามารถในการเคลื่อนที่ของตัวขนส่ง Chen และคนอื่นๆได้โด๊ปแกรฟีนด้วยโพแทสเซียมในสูญญากาศที่สูงพิเศษที่อุณหภูมิต่ำ พวกเขาพบว่าโพแทสเซียมไอออนทำหน้าที่ตามที่คาดไว้ สำหรับสิ่งสกปรกที่ประจุไว้ในแกรฟีน และสามารถลดความสามารถในการเคลื่อนที่ถึง 20 เท่า การลดลงของความสมารถในการเคลื่อนที่จะกลับกัน เมื่อให้ความร้อนแก่แกีฟีนเพื่อแยกโพแทสเซียมออก

เนื่องจากคุณสมบัติที่เป็นสองมิติของมัน การแยกออกเป็นส่วนเล็กๆของประจุ (ที่ซึ่งประจุที่เห็นได้ชัดของอนุภาคเทียมแต่ละชิ้นในระบบมิติต่ำมีค่าน้อยกว่าควอนตัมเดี่ยวอันหนึ่ง) มีความคิดว่าได้เกิดขึ้นในแกรฟีน เพราะฉะนั้น มันจึงอาจจะเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์แบบควอนตัมที่ใช้วงจร anyonic

คุณสมบัติทางแสง

คุณสมบัติด้านแสงที่เป็นเอกลักษณ์เฉพาะตัวของแกรฟีนทำให้มีความทึบแสงสูงอย่างไม่คาดคิด สำหรับอะตอมชั้นเดียวในสูญญากาศ โดยการดูดซับ πα≈ 2.3 % ของแสงสีขาว เมื่อ α คือค่าโครงสร้างละเอียดคงที่ นี่คือ "ผลพวงจากความผิดปกติของโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์พลังงานต่ำของ graphene monolayer ที่ทำให้แถบรูปทรงกรวยของอิเล็กตรอนและโฮลมาประจบกันที่ Dirac point [ซึ่ง] เป็นคุณภาพที่แตกต่างจากแถบขนาดใหญ่ที่ธรรมดาอื่นๆ". บนพื้นฐานของรูปแบบแถบของกราไฟต์ของ Slonczewski - Weiss - McClure (SWMcC) ระยะทางระหว่างอะตอม, ค่า hopping และความถี่จะหักล้างกัน เมื่อการนำแสงถูกคำนวณโดยใช้สมการของ Fresnel ในขีดจำกัดแบบ thin-film

สิ่งนี้ได้รับการยืนยันจากการทดลอง แต่การวัดไม่ได้แม่นยำพอที่จะปรับปรุงด้วยเทคนิคอื่น ๆ ในการหาค่าโครงสร้างละเอียดคงที่

ความกว้างของแถบของแกรฟีน สามารถปรับได้จาก 0 ถึง 0.25 eV (ความยาวคลื่น ประมาณ 5 ไมโครเมตร) โดยการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับ ทรานซิสเตอร์แบบ FET ที่มีเกทสองชั้นประสานกัน (อังกฤษ: dual-gate bilayer graphene field-effect transistor) ที่อุณหภูมิห้อง การตอบสนองต่อแสงของ nanoribbons graphene ได้แสดงให้เห็นว่าสามารถปรับแต่งให้มีค่าเป็น terahertz (ล้านล้านเฮริตซ์) โดยการใช้สนามแม่เหล็ก แสดงให้เห็นว่า ระบบแกรฟีน/แกรฟีนออกไซด์มีพฤติกรรมที่เป็น electrochromic ซึ่งยอมให้ทำการปรับแต่งได้ทั้งแบบคุณสมบัติเชิงเส้นและจากคุณสมบัติทางแสงที่รวดเร็วมาก

เมื่อเร็วๆนี้ ตะแกรงของแบรกก์ที่มีพื้นฐานมาจากแกรฟีน (คริสตัลไฟโต้โทนิคหนึ่งมิติ) ได้ถูกสร้างขึ้นและได้แสดงให้เห็นถึงความสามารถในการกระตุ้นของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่ผิว โดยใช้เลเซอร์ He-Ne 633 นาโนเมตรเป็นแหล่งกำเนิดแสง.

คุณสมบัติเชิงกล

ณ ปี 2009, แกรฟีนดูเหมือนจะเป็นหนึ่งในวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดที่เคยทดสอบ วัดความแข็งแรงทำลายมากกว่า 100 เท่าของแผ่นเหล็กสมมุติที่มีความหนาเท่ากัน (บางอย่างไม่น่าเชื่อ) ด้วยโมดูลัสแรงดึง(ความแข็ง) จาก 1 TPa (150,000,000 ปอนด์ต่อตารางนิ้ว) อย่างไรก็ดี กระบวนการสกัดออกจากกราไฟท์ที่มีอยู่ในธรรมชาติ จะต้องมีการพัฒนาทางเทคโนโลยี ก่อนที่จะคุ้มค่ามากพอที่จะนำมาใช้ในกระบวนการผลิตของอุตสาหกรรม แม้เรื่องนี้อาจจะมีการเปลี่ยนแปลงในไม่ช้า แกรฟีนมีน้ำหนักเบามากน้ำหนักเพียงประมาณ 0.77 มิลลิกรัมต่อตารางเมตร รางวัลโนเบลได้ประกาศว่า 1 ตารางเมตร ของเปลญวนที่ทำจากแกรฟีน สามารถรองรับแมวหนัก 4 กิโลกรัมได้ แต่เปลญวนจะมีน้ำหนักเพียงเท่ากับหนวดแมวหนึ่งหนวดเท่านั้น คือที่ 0.77 มิลลิกรัม (ประมาณ 0.001 % ของน้ำหนักของ 1 ตารางเมตรของกระดาษ)

กระดาษแกรฟีนเพิ่งได้รับการพัฒนาโดยแผนกวิจัยจากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยีซิดนีย์ โดย Guoxiu Wang ที่สามารถนำมาผ่านขบวนการต่างๆ, การเปลี่ยนรูปแบบ, การสร้างรูปแบบขึ้นมาใหม่จากสถานภาพของวัตถุดิบเดิม นักวิจัยได้ประสบความสำเร็จในการสีกราไฟท์ดิบ โดยการทำให้บริสุทธิ์ และกรองด้วยสารเคมีเพื่อก่อร่างและปฏิรูปใหม่ให้อยู่ในรูปแบบโครงสร้างนาโน แล้วผ่านขบวนการให้เป็นแผ่นบางเท่ากระดาษ ตามข้อความของมหาวิทยาลัย หัวหน้านักวิจัย Ali Reza Ranjbartoreh กล่าวว่า "ไม่เพียงแต่มันมีน้ำหนักเบา แข็งแรง แกร่งและ ยืดหยุ่นมากกว่าเหล็กเท่านั้น แต่ยังเป็นผลิตภัณฑ์ที่นำมารีไซเคิลได้ และยั่งยืน เป็นมิตรกับสิ่งแวดล้อมและมีตันทุนที่มีประสิทธิภาพในการใช้งานอีกด้วย" Ranjbartoreh กล่าวว่าผลลัพธ์จะช่วยให้มีการพัฒนารถยนต์ที่มีน้ำหนักเบาและแข็งแรง และเครื่องบินที่ใช้เชื้อเพลิงน้อยกว่า การสร้างมลพิษที่น้อยกว่า มีราคาถูกเพื่อให้ทำงานได้ และยั่งยืนทางด้านนิเวศวิทยา เขากล่าวอีกว่า บริษัทการบินและอวกาศที่มีขนาดใหญ่ ได้เริ่มต้นแล้วที่จะเปลี่ยนโลหะที่มีคาร์บอนไฟเบอร์ และวัสดุคาร์บอน และกระดาษแกรฟีนที่มี คุณสมบัติทางกลที่เปรียบไม่ได้ ที่จะเป็นวัสดุต่อไปสำหรับพวกเขาในการสำรวจเพื่อใช้งาน

เมื่อใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม(อังกฤษ: Atomic Force Microscope) หรือ AFM ทำการวัดแรงดีดคงที่ของแผ่นแกรฟีนที่ถูกแขวนอยู่เหนือ SiO แผ่นแกรฟีนถูกแขวนอยู่ด้วยกันด้วยแรง van der Waals forces

ปลายของ AFM ถูกสอดเข้าไปในโพรงสองโพรงเพื่อทดสอบคุณสมบัติเชิงกล ค่าแรงดีดคงที่จะอยู่ในช่วง 1-5 N/m และ ค่ามอดุลัสของ Young เป็น 0.5 TPa ซึ่งแตกต่างจากค่าของกราไฟท์ที่เป็นก้อน ค่าเหล่านี้ที่สูงมาก ทำให้แกรฟีนแข็งแกร่งและหนาแน่น คุณสมบัติแท้จริงเหล่านี้ อาจนำไปสู่การใช้แกรฟีน สำหรับการใช้งาน Nanoelectromechanical system หรือ NEMS เช่น เซ็นเซอร์ความดัน และ resonators

เป็นไปตามความจริงของวัสดุทั้งหมด หลายภาคส่วนของแกรฟีนจะมีการผันผวนของความร้อนและควอนตัมในการเคลื่อนย้ายสัมพันธ์ ถึงแม้ว่าขนาดของความผันผวนเหล่านี้อยู่ในรูปของโครงสร้าง 3D (แม้จะอยู่ในข้อจำกัดของขนาดที่ไม่มีที่สิ้นสุด) ทฤษฎีบทของ Mermin - Wagner แสดงให้เห็นว่า แอมพลิจูดของความผันผวนของความยาวคลื่นที่ยาวจะเพิ่มมากขึ้นแบบลอการิทึมที่มีขนาดตามโครงสร้าง 2D และดังนั้นจึงไม่มีทิศทางในโครงสร้าง ที่มีขนาดไม่สิ้นสุด ความผิดปกติท้องถิ่นและความเครียดยืดหยุ่นได้รับผลกระทบที่ตัดทิ้งได้โดยความแตกต่างในระยะยาวในการเคลื่อนย้ายสัมพันธ์ เชื่อได้ว่ามันเป็นโครงสร้าง 2D ขนาดใหญ่พอ ในกรณีที่ไม่มีความตึงเครียดด้านข้างที่ใส่เข้าไป จะโค้งงอและพังทลายในรูปแบบโครงสร้าง 3D ที่มีความผันผวน นักวิจัยได้สังเกตระลอกในชั้นแขวนของแกรฟีน และได้รับการเสนอว่า ระลอกเกิดจากความผันผวนของความร้อนในวัสดุ ผลจากการเสียรูป เหล่านี้ก็เป็นที่ถกเถียงกันว่า graphene เป็นโครงสร้าง 2D จริงหรือไม่