ग्रेफीन, क्रिस्टलीय कार्बन का एक दो-आयामी रूप, या तो कार्बन परमाणुओं की एक एकल परत जिसमें मधुकोश (हेक्सागोनल) जाली या इस मधुकोश संरचना की कई युग्मित परतें होती हैं। शब्द ग्राफीन, जब फॉर्म को निर्दिष्ट किए बिना उपयोग किया जाता है (जैसे, बिलीयर ग्रेफीन, बहुपरत ग्राफीन), आमतौर पर सिंगल-लेयर ग्राफीन को संदर्भित करता है। ग्रेफीन कार्बन की सभी ग्राफिकल संरचनाओं का एक मूल रूप है: ग्रेफाइट, जो एक तीन-आयामी क्रिस्टल है जिसमें अपेक्षाकृत कमजोर युग्मित ग्राफीन परतों से मिलकर बनता है; नैनोट्यूब, जिसे ग्राफीन के स्क्रॉल के रूप में दर्शाया जा सकता है; और हिरन के छल्ले के बक्कलबॉल, गोलाकार अणुओं को कुछ हेक्सागोनल छल्ले के साथ पेंटागन के छल्ले से बदल दिया जाता है।
ग्राफीन का पहला अध्ययन
ग्राफीन का सैद्धांतिक अध्ययन 1947 में भौतिक विज्ञानी फिलिप आर। वालेस द्वारा ग्रेफाइट की इलेक्ट्रॉनिक संरचना को समझने के लिए पहले कदम के रूप में शुरू किया गया था। ग्रेफीन शब्द को रसायनज्ञ हेंस-पीटर बोहेम, राल्फ सेटन और एबरहार्ड स्टम्प ने 1986 में ग्रेफाइट शब्द के संयोजन के रूप में प्रस्तुत किया था, इसके क्रम में क्रिस्टलीय रूप में कार्बन का उल्लेख किया और प्रत्यय-पॉलीसाइक्लिक एरोमैटिक हाइड्रोकार्बन का जिक्र किया। कार्बन परमाणु षट्भुज, या छह-पक्षीय, वलय संरचनाएँ बनाते हैं।
2004 में यूनिवर्सिटी ऑफ मैनचेस्टर के भौतिकविदों कोनस्टेंटिन नोवोसेलोव और आंद्रे गीम और उनके सहयोगियों ने ग्रेफाइट से निकलने की एक अत्यंत सरल विधि का उपयोग करके सिंगल-लेयर ग्राफीन को अलग कर दिया। उनकी "स्कॉच-टेप विधि" ने ग्रेफाइट के एक नमूने से शीर्ष परतों को हटाने के लिए चिपकने वाली टेप का उपयोग किया और फिर परतों को एक सब्सट्रेट सामग्री पर लागू किया। जब टेप को हटा दिया गया था, तो कुछ ग्राफीन सिंगल-लेयर फॉर्म में सब्सट्रेट पर बने रहे। वास्तव में, ग्राफीन की व्युत्पत्ति अपने आप में एक मुश्किल काम नहीं है; हर बार जब कोई कागज पर पेंसिल से चित्र बनाता है, तो पेंसिल के निशान में सिंगल-लेयर और मल्टीलेयर ग्राफीन का एक छोटा सा अंश होता है। मैनचेस्टर समूह की उपलब्धि केवल ग्रेफीन के गुच्छे को अलग करने के लिए नहीं थी, बल्कि उनके भौतिक गुणों का अध्ययन करने के लिए भी थी। विशेष रूप से, उन्होंने दिखाया कि ग्राफीन में इलेक्ट्रॉनों की गतिशीलता बहुत अधिक होती है, जिसका अर्थ है कि ग्राफीन का उपयोग संभवतः इलेक्ट्रॉनिक अनुप्रयोगों में किया जा सकता है। 2010 में गीम और नोवोसेलोव को उनके काम के लिए भौतिकी का नोबेल पुरस्कार दिया गया।
इन पहले प्रयोगों में, ग्राफीन के लिए सब्सट्रेट सिलिकॉन डाइऑक्साइड की एक पतली पारदर्शी परत द्वारा स्वाभाविक रूप से कवर किया गया था। यह पता चला कि सिंगल-लेयर ग्राफीन ने सिलिकॉन डाइऑक्साइड के साथ एक ऑप्टिकल कंट्रास्ट बनाया था जो एक मानक ऑप्टिकल माइक्रोस्कोप के तहत ग्राफीन को दृश्यमान बनाने के लिए पर्याप्त मजबूत था। इस दृश्यता के दो कारण हैं। सबसे पहले, ग्राफीन में इलेक्ट्रॉन दृश्य प्रकाश आवृत्तियों में फोटॉन के साथ बहुत दृढ़ता से बातचीत करते हैं, जो परमाणु परत के अनुसार प्रकाश की तीव्रता का लगभग 2.3 प्रतिशत अवशोषित करते हैं। दूसरा, ऑप्टिकल कंट्रास्ट सिलिकॉन डाइऑक्साइड परत में हस्तक्षेप घटना द्वारा दृढ़ता से बढ़ाया जाता है; ये वही घटनाएं हैं जो पतली फिल्मों जैसे कि साबुन फिल्म या पानी पर तेल में इंद्रधनुष के रंगों का निर्माण करती हैं।
