グラフェン化学

グラフェンは、結晶性炭素の2次元形態であり、ハニカム（六角形）格子を形成する炭素原子の単一層またはこのハニカム構造のいくつかの結合層のいずれかです。グラフェンという単語は、形式を指定せずに使用すると（たとえば、二層グラフェン、多層グラフェン）、通常は単層グラフェンを指します。グラフェンは、炭素のすべてのグラファイト構造の親フォームです。グラファイトは、比較的弱く結合したグラフェン層で構成される3次元結晶です。グラフェンの巻物として表されるナノチューブ; バッキーボールは、六角形のリングが五角形のリングに置き換わったグラフェンから作られた球状の分子です。

グラフェンの最初の研究

グラフェンの理論的研究は、グラファイトの電子構造を理解するための最初のステップとして、物理学者フィリップR.ウォレスによって1947年に開始されました。グラフェンという用語は、1986年に、化学者のHanns-Peter Boehm、Ralph Setton、およびEberhard Stumppによって、グラファイトという単語の組み合わせとして導入されました。炭素原子は、六角形または6面の環状構造を形成します。

2004年、マンチェスター大学の物理学者であるコンスタンティンノボセロフとアンドレガイムらは、グラファイトからの非常にシンプルな剥離方法を使用して、単層グラフェンを分離しました。彼らの「スコッチテープ法」は、粘着テープを使用してグラファイトのサンプルから最上層を取り除き、その層を基板材料に貼り付けました。テープが取り除かれたとき、いくらかのグラフェンが単層の形で基板上に残っていました。実際、グラフェンの導出自体は難しい作業ではありません。誰かが紙に鉛筆で描くたびに、鉛筆の跡には単層および多層グラフェンのごく一部が含まれます。マンチェスターグループの業績は、グラフェンフレークを分離することだけでなく、それらの物理的特性を研究することでもありました。特に、彼らはグラフェンの電子が非常に高い移動度を持っていることを実証しました。これは、グラフェンが電子アプリケーションで使用される可能性があることを意味します。2010年、GeimとNovoselovは彼らの研究に対してノーベル物理学賞を受賞しました。

これらの最初の実験では、グラフェンの基板は、二酸化ケイ素の薄い透明層で自然に覆われたシリコンでした。単層グラフェンが二酸化ケイ素との光学的コントラストを生み出し、標準的な光学顕微鏡でグラフェンを可視化できるほど強力であることがわかりました。この可視性には2つの原因があります。まず、グラフェンの電子は、可視光周波数の光子と非常に強く相互作用し、原子層あたりの光の強度の約2.3％を吸収します。第二に、二酸化ケイ素層の干渉現象によって光学コントラストが大幅に向上します。これらは、石けん膜や水の上の油などの薄い膜に虹色を作り出す現象と同じです。