แกรฟีน

แกรฟีนเป็นโครงสร้างตารางแบบรังผึ้งหนาเพียงหนึ่งอะตอมที่ประกอบขึ้นโดยการวางตัวของอะตอมของคาร์บอนหลายๆอะตอม

แกรฟีน (อังกฤษ: Graphene) หรือ แกรฟีน เป็นรูปแบบหนึ่งของผลึกคาร์บอน เคียงข้างกับ เพชร, กราไฟท์, ท่อนาโนคาร์บอนและฟูลเลอรีน โดยที่ อะตอมของคาร์บอนจะเรียงตัวในรูปแบบหกเหลี่ยมรังผึ้งทั่วไป แกรฟีนสามารถอธิบายได้ว่า เป็นชั้นหนาเพียงอะตอมเดียวของแร่แกรไฟต์ที่เป็นชั้นๆ กราฟีนที่มีคุณภาพสูง มีความแข็งแรงมาก น้ำหนักเบา(แกรฟีนขนาด 1 ตารางเมตรมีน้ำหนักเพียง 0.77 มิลลิกรัมเท่านั้น) เกือบโปร่งใส และเป็นตัวนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดี การที่มันมีปฏิสัมพันธ์ที่ดีกับวัสดุอื่นๆ และกับแสง, และการที่โดยธรรมชาติเป็นแบบสองมิติของมัน ทำให้มันมีคุณสมบัติเฉพาะที่ไม่เหมือนใคร

ในช่วงปี 2004 นักวิจัยหลายคนที่ศึกษาคาร์บอนนาโนทิวบ์ได้คุ้นเคยกันดีอยู่แล้ว กับองค์ประกอบของโครงสร้างและคุณสมบัติของแกรฟีน ซึ่งได้รับการคำนวณในหลายทศวรรษที่ผ่านมาก่อนหน้านี้ เมื่อรวมเข้ากับคุณสมบัติพิเศษและความสะดวกที่น่าแปลกใจของการแยกออกทำให้เกิดการการวิจัยของแกรฟีนเป็นไปอย่างกว้างขวาง Andre Geim และ คอนสแตนติน Novoselov แห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ ชนะรางวัลโนเบลในสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 "สำหรับการเริ่มต้นการทดลองที่เกี่ยวข้องกับวัสดุแกรฟีนสองมิติ"

คุณสมบัติ

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 $E=\hbar v_{F}{\sqrt {k_{x}^{2}+k_{y}^{2}}}$; เมื่อ ความเร็ว Fermi v_F ~ 10⁶ m/s และ wavevector "k" จะวัดจากจุด Dirac (พลังงานเป็นศูนย์จะถูกเลือกที่นี่ให้ตรงกับจุด Dirac)

การขนส่งอิเล็กตรอน

ผลการทดลองจากการวัดการขนส่งแสดงให้เห็นว่า กราฟีนมีความสามารถในการเคลื่อนย้าย อิเล็กตรอนที่สูงอย่างน่าทึ่งที่อุณหภูมิห้อง โดยมีค่าตามรายงาน มากกว่า 15000 cm²·V⁻¹·s⁻¹ นอกจากนี้ สัดส่วนของค่าการนำกระแสโดยการวัดจากการทดลองแสดงให้เห็นว่า ความสามารถในการเคลื่อนที่ สำหรับโฮลและอิเล็กตรอนเกือบจะเป็นค่าเดียวกัน การเคลื่อนที่เกือบจะเป็นอิสระจากอุณหภูมิ ระหว่าง 10K ถึง 100K ซึ่งหมายความว่า กลไกการ กระจัดกระจายที่โดดเด่นเป็นข้อบกพร่อง การกระจัดกระจายโดย acoustic phonons ของ กราฟีนเป็นตัวจำกัดความสามารถที่แท้จริงในการเคลื่อนที่ในอุณหภูมิห้อง ที่ 200000 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 40000 cm²·V⁻¹·s⁻¹

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

ศักยภาพในการนำมาใช้งาน

แกรฟีนอยู่ในระหว่างการพัฒนาเพื่อนำไปใช้หลายอย่าง รวมถึง หน้าจอแสดงผล, วงจรไฟฟ้า, และเซลล์แสงอาทิตย์ ที่มีน้ำหนักเบา, บาง, ยืดหยุ่นแต่ยังคงทน เช่นเดียวกับ การแพทย์, กระบวนการทางสารเคมีและอุตสาหกรรมต่างๆ

ในปี 2013 นักวิจัยแกรฟีนนำโดยศาสตราจารย์ Jari Kinaret จากมหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers ของสวีเดน ได้รับทุนมูลค่า 1 พันล้านยูโร จากสหภาพยุโรปสำหรับการวิจัยต่อเนื่องในการพัฒนาแกรฟีน ในปีเดียวกัน สมาคมเรือธงแกรฟีนถูกจัดตั้งประกอบด้วย มหาวิทยาลัยเทคโนโลยี Chalmers และ อีกเจ็ดมหาวิทยาลัยและศูนย์การวิจัยในยุโรป และ บริษัทโนเกียของฟินแลนด์ โนเกียยังได้ทำงานกับเทคโนโลยีแกรฟีนมาแล้วเป็นเวลาหลายปี

ทางการแพทย์

มีรายงานว่า แกรฟีนช่วยปรับปรุงปฏิกิริยาลูกโซ่พอลิเมอเรส หรือ PCR โดยการเพิ่ม ผลผลิตของดีเอ็นเอ การทดลองได้แสดงให้เห็นว่าการนำความร้อนที่โดดเด่นของแกรฟีน เป็นเหตุผลหลักที่อยู่เบื้องหลังผลลัพธ์ที่ได้นี้ นอกจากนี้ แกรฟีนยังให้ผลผลิตดีเอ็นเอ เทียบเท่ากับการควบคุมบวก ที่ลดลงถึง 65% ในรอบ PCR

แผงวงจรรวม

แกรฟีนมีคุณสมบัติในอุดมคติที่จะเป็นองค์ประกอบที่ดีของวงจรรวม แกรฟีนมีตัวขนส่งกระแสไฟฟ้าที่มีความคล่องตัวสูง และคลื่นรบกวนต่ำ ทำให้มันถูกนำมาใช้เป็นช่องทางในทรานซิสเตอร์แบบ FET ปัญหาก็คือแผ่นแกรฟีนเดี่ยวจะยากที่จะผลิต และยิ่งยากที่จะผลิต เหนือพื้นผิวที่เหมาะสม นักวิจัยกำลังมองหาวิธีการของการถ่ายโอนแผ่นกราฟีนเดี่ยวจาก แหล่งที่มาของมัน (การขัดด้วยกลไกบน SiO2/Si หรือการผลิตกราไฟต์ด้วยความร้อนของ พื้นผิว SiC) ลงบนพื้นผิวเป้าหมาย ในปี 2008 ทรานซิสเตอร์ที่เล็กที่สุดในเวลานั้น มีความหนาเพียงหนึ่งอะตอม, กว้าง 10 อะตอมทำจากแกรฟีน ไอบีเอ็มประกาศในเดือน ธันวาคม 2008 ว่าได้ประดิษฐ์ทรานซิสเตอร์ทำจากแกรฟีน ทำงานที่ความถี่ GHz ในเดือนพฤษภาคม 2009 ทรานซิสเตอร์ ชนิด n-type และ p -type ถูกประกาศว่าได้ถูกสร้างขึ้นด้วยแกรฟีน วงจรรวมที่ทำงานด้วยแกรฟีนก็ยังถูกสาธิตให้เห็นด้วยตัวอินเวอร์เตอร์ ที่ทำงานเสิมกัน ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์แกรฟีนที่เป็น p-type หนึ่งตัว และ n-type หนึ่งตัว อย่างไรก็ตาม อินเวอร์เตอร์นี้ ให้โวลเตจเกนที่ต่ำมาก

ตามรายงานเดือน มกราคม 2010, แกรฟีนถูกสร้างขึ้นบนชั้นของ epitaxy บน SiC ใน ปริมาณและคุณภาพที่เหมาะสมสำหรับการผลิตวงจรรวมปริมาณมากๆ ที่อุณหภูมิสูง, ควอนตัม ฮอลล์ เอฟเฟ็กสามารถวัดได้ในตัวอย่างเหล่านี้ ดูเพิ่มเติมที่ งานของ IBM ปี 2010 ในส่วนทรานซิสเตอร์ข้างต้น ในที่ซึ่ง 'โปรเซสเซอร์' ของทรานซิสเตอร์ 100 GHz ถูกสร้างขึ้นบนแผ่นแกรฟีนขนาด 2 นิ้ว (51 มม.)

ในเดือนมิถุนายน 2011, นักวิจัยของไอบีเอ็มประกาศว่าได้ประสบความสำเร็จในการสร้างวงจรรวมจากแกรฟีนเป็นครั้งแรก โดยสร้างเป็นตัวผสมวิทยุบรอดแบนด์ วงจรสามารถจัดการกับความถี่ได้ถึง 10 GHz และประสิทธิภาพการทำงานจะไม่ได้รับผลกระทบกับ อุณหภูมิที่สูงถึง 127 องศาเซลเซียส

ใน มิถุนายน 2013, วงจร oscillator วงแหวน 1.28 GHz ที่ใช้ทรานซิสเตอร์ 8 ตัวก็ถูกสร้างขึ้น

ทรานซิสเตอร์

แกรฟีนได้แสดงให้เห็นถึงการตอบสนองที่เด่นชัดกับสนามไฟฟ้าภายนอกที่ตั้งฉาก ซึ่งมีศักยภาพในการสร้างทรานซิสเตอร์แบบ FET เอกสารในปี 2004 กล่าวว่า FETs มีอัตราส่วน เปิดปิดอยู่ที่ ~ 30 ที่อุณหภูมิห้อง เอกสารในปี 2006 ประกาศเรื่องทรานซิสเตอร์ FET ที่เป็นแกรฟีนทั้งตัวมีเกทอยู่ด้านข้าง อุปกรณ์แสดงให้เห็นถึงการเปลี่ยนแปลงที่ 2 % ที่อุณหภูมิแช่แข็ง FET ที่มีเกทด้านบนตัวแรก(อัตราการเปิดปิด <2) แสดงให้เห็นในปี 2007 nanoribbons Graphene อาจพิสูจน์โดยทั่วไปว่ามีความสามารถในการเป็นสารกึ่งตัวนำแทนซิลิกอน

เอกสารในปี 2008 แสดงให้เห็นถึง ผลของการสวิตชิ่งใหม่บนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงทางเคมีที่ผันกลับของชั้นแกรฟีน ที่ให้อัตราการเปิดปิดที่มากขึ้นกว่าหกเท่า สวิทช์ที่กลับทางได้เหล่านี้อาจจะนำไปใช้กับเมมโมรี่แบบลบเลือน

ในปี 2009 นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงลอจิกเกท สี่ประเภทที่แตกต่างกัน แต่ละประเภท ประกอบด้วยทรานซิสเตอร์ที่ใช้แกรฟีนเพียงตัวเดียว

การประยุกต์ใช้สำหรับวงจรเหล่านี้จะถูกจำกัดโดยโวลเตจเกนขนาดเล็กมาก โดยปกติแล้ว สัญญาณเอาต์พุตน้อยกว่าสัญญาณอินพุทถึง 40 เท่า นอกจากนี้ยังไม่มีวงจรใดที่ทำงานที่ ความถี่สูงกว่า 25 kHz

ในปีเดียวกัน การจำลองเชิงตัวเลขแสดงให้เห็นว่าช่องว่างของแถบที่เหนี่ยวนำในทรานซิสเตอร์แบบ FET ที่เป็นแกรฟีนสองชั้น ไม่ได้มีขนาดใหญ่พอสำหรับทรานซิสเตอร์ ที่มีประสิทธิภาพสูงสำหรับการใช้งานดิจิทัล แต่สามารถจะเพียงพอสำหรับการใช้งานที่ แรงดันไฟฟ้าที่ต่ำเป็นพิเศษ เมื่อการใช้ประโยชน์จากสถาปัตยกรรม tunnel-FET

ในกุมภาพันธ์ 2010 นักวิจัยประกาศเรื่องทรานซิสเตอร์ที่มีการเปิด/ปิดด้วยอัตรา 100 กิกะเฮิรตซ์, ซึ่งไกลเกินอัตราของความพยายามก่อนหน้านี้และเกินความเร็วของทรานซิสเตอร์ ซิลิคอนที่มีความยาวเกทเท่ากัน อุปกรณ์ขนาด 240 นาโนเมตรนี้ถูกสร้างขึ้นมาด้วยอุปกรณ์ ที่ใช้ในการผลิตซิลิกอนธรรมดา

ในพฤศจิกายน 2011 นักวิจัยได้ใช้การพิมพ์อิงค์เจ็ท (การผลิตสารเติมแต่ง) เป็นวิธีการที่ใช้สำหรับการผลิตอุปกรณ์แกรฟีน

ในปี 2013 นักวิจัยแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการเคลื่อนตัวสูงของแกรฟีนในเครื่องตรวจจับ ที่ช่วยให้ความสามารถในการเลื่อกความถี่แถบกว้างในช่วงตั้งแต่ THz จนถึงช่วง IR (0.76-33THz) นักวิจัยอีกกลุ่มหนึ่งสร้างทรานซิสเตอร์ความเร็วสูงถึง Tara Hz ด้วยคุณ ลักษณะแบบ bistable ซึ่งหมายความว่าอุปกรณ์สามารถสลับระหว่างสองสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ด้วยตัวของมันเอง อุปกรณ์ประกอบด้วยสองชั้นของแกรฟีนที่แยกจากกันโดยชั้นฉนวนของโบรอนไนไตรด์ หนาเพียงไม่กี่อะตอม อิเล็กตรอนเคลื่อนที่ผ่านอุปสรรค นี้ได้โดยการขุดอุโมงค์ควอนตัม ทรานซิสเตอร์ใหม่เหล่านี้แสดง "conductance ความแตกต่างเชิงลบ" โดยที่การไหลของกระแสไฟฟ้าจะเท่ากัน ที่แรงดันที่จ่ายให้สองแรงดันที่แตกต่างกัน

ขั้วนำไฟฟ้าที่โปร่งใส

แกรฟีนมีการนำไฟฟ้าสูงและมีความโปร่งใสทางแสงสูง ทำให้มันเป็นขั้วไฟฟ้าโปร่งใสที่จำเป็นสำหรับการใช้งานเช่น หน้าจอสัมผัส (อังกฤษ: touchscreen), จอแสดงผลแบบคริสตัลเหลว, เซลล์แสงอาทิตย์แบบอินทรีย์ และไดโอดเปล่งแสงแบบอินทรีย์ (อังกฤษ: Organic light-emitting diode)โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ความแข็งแรงทางกลของแกรฟีน และความยืดหยุ่นเป็นข้อได้เปรียบ เมื่อเทียบกับอินเดียมดีบุกออกไซด์ ซึ่งเปราะ และแผ่นฟิล์มแกรฟีนอาจถูกทิ้งไว้ในดินให้เป็นอาหารของพืชต่อไป

แผ่นฟิล์มแกรฟีนไม่กี่เลเยอร์ที่มีพื้นที่ขนาดใหญ่ติดกันอย่างต่อเนื่องโปร่งใสและมีการนำกระแสสูงจะถูกผลิตโดยไอสารเคมีสะสมและนำมาใช้เป็น anodes สำหรับการประยุกต์ใช้ ในอุปกรณ์ไฟฟ้าโซลาร์เซลล์ ประสิทธิภาพในการแปลงพลังงาน (PCE) สูงถึง 1.71 % ซึ่งเป็น 55.2 % ของ PCE ของอุปกรณ์ควบคุมบนพื้นฐานของอินเดียมทินออกไซด์

ไดโอดเปล่งแสงอินทรีย์ (OLEDs) ที่มี anodes เป็นแกรฟีนยังได้รับการสาธิตให้เห็นถึงประสิทธิภาพทางอิเล็กทรอนิกส์และทางออปติคอล ปรากฏว่าจะคล้ายกับอุปกรณ์ที่ทำด้วย อินเดียมดีบุกออกไซด์

อุปกรณ์ที่ทำจากคาร์บอนทั้งหมดที่เรียกว่าเซลล์ไฟฟ้าเคมีเปร่งแสง (LEC) ได้รับการสาธิต กับแกรฟีนที่ทำจากสารเคมี เพื่อเป็นแคโทดและ PEDOT โพลิเมอร์การนำไฟฟ้าเป็นขั้วบวก โดย Matyba กับพวก อุปกรณ์นี้แตกต่างจากรุ่นก่อนซึ่งรุ่นนี้จะประกอบด้วยอโลหะ มีแต่ขั้วไฟฟ้าคาร์บอนเท่านั้น การใช้งานของแกรฟีนเป็นขั้วบวกใน LECs ก็ยังได้รับการยืนยันในสิ่งพิมพ์เดียวกัน

การกลั่นเอทานอล

เยื่อออกไซด์ของแกรฟีนยอมให้ไอน้ำซึมผ่านไปได้ แต่ไม่ยอมให้ของเหลวหรือแก๊สอื่นแม้แต่ฮีเลียมซึมผ่านได้ ปรากฏการณ์นี้ได้ถูกนำมาใช้ในการกลั่นวอดก้าในขั้นตอนต่อไปเพื่อให้ได้ความเข้มข้นของแอลกอฮอล์ที่สูงขึ้น ในห้องปฏิบัติการที่อุณหภูมิห้อง โดยไม่ต้องมีการใส่ความร้อนหรือสูญญากาศในวิธีการกลั่นแบบดั้งเดิม การส่งเสริมการพัฒนา และการค้าของเยื่อดังกล่าวอาจปฏิวัติเศรษฐศาสตร์ของการผลิตเชื้อเพลิงชีวภาพและอุตสาหกรรมเครื่องดื่มแอลกอฮอล์

กระบวนการแยกเกลือออกจากน้ำ

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าตัวกรองแกรฟีนจะมีประสิทธิภาพสูงกว่าเทคนิคอื่นๆอย่างมีนัยสำคัญ

เซลล์แสงอาทิตย์

แกรฟีนมีการผสมผสานที่เป็นเอกลักษณ์ของการนำไฟฟ้าสูงและความโปร่งใสของแสง ซึ่ง ทำให้มันเป็นตัวเลือกที่ดีสำหรับใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์ แผ่นเดียวของแกรฟีนเป็นสารกึ่งตัวนำที่มี bandgap เป็นศูนย์ ที่ซึ่งตัวขนส่งประจุจะไม่ถูกกระจายไปทั่วพื้นที่ขนาดใหญ่ ซึ่งหมายความว่าการกระจัดกระจายของตัวขนส่งจะไม่เกิดขึ้น เนื่องจากวัสดุนี้จะดูดซับเพียง 2.3 % ของแสงที่ตามองเห็นเท่านั้น มันจึงเป็นตัวเลือกสำหรับการใช้งานในฐานะตัวนำไฟฟ้าโปร่งใส แกรฟีนสามารถประกอบขึ้นเป็นขั้วไฟฟ้าบางที่มีผิวเรียบ แต่ในทางปฏิบัติ แผ่นแกรฟีนบางๆที่ถูกผลิตผ่านขบวนการสารละลายจะประกอบด้วยข้อบกพร่องของตาข่าย และ จุดวงรอบเล็กๆที่ทำหน้าที่เป็นศูนย์รวมตัวใหม่ และลดการนำไฟฟ้าของวัสดุ ดังนั้น แผ่นบางเหล่านี้จะต้องถูกทำให้หนากว่าหนึ่งชั้นอะตอม เพื่อให้ได้ความหนืดที่ผิวที่สัมผัสได้ ความหนืดที่ถูกเพิ่มเข้าไปนี้สามารถถูกต่อต้านโดยการผสมผสานวัสดุเพิ่มการนำไฟฟ้า เช่นเมทริกซ์ซิลิกา การนำไฟฟ้าของฟิล์มแกรฟีนที่ถูกลดลงไปยังสามารถปรับปรุงให้ดีขึ้น โดยการติด​​โมเลกุลอโรเมทิกขนาดใหญ่เช่น เกลือโซเดียม pyrene -1- กรดซัลโฟนิก (Pys) และเกลือโซเดียม ของ 3,4,9,10 - perylenetetracarboxylic diimide bisbenzenesulfonic acid (PDI) โมเลกุลกรดอโรเมติกที่มีขนาดใหญ่เหล่านี้ ภายใต้อุณหภูมิสูงจะช่วยในการจับคู่แบบ π ของแผ่นฐานของแกรฟีนได้ดีขึ้น แผ่นแกรฟีนบางๆ มี ความโปร่งใสในระดับสูงในภูมิภาคที่ตามองเห็นได้และภูมืภาคใกล้อินฟราเรด และ นอกจากนี้ยังมีเสถียรภาพทางเคมีและความร้อนที่สูง

เพื่อให้แกรฟีนสามารถนำไปใช้ในเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์ได้ การผลิตขนาดใหญ่ ของวัสดุจะต้องประสบความสำเร็จ อย่างไรก็ตาม การปอกเปลือกของ graphene pyrolytic ดูเหมือนว่าจะไม่ได้เป็นขั้นตอนง่ายๆในการยกระดับขึ้น วิธีทางเลือกที่มีศักยภาพ ในการผลิตที่สามารถปรับขนาดของแกรฟีนที่ได้รับการแนะนำ คือการสลายตัวทางความร้อนของ ซิลิกอนคาร์ไบด์

การใช้แกรฟีนที่นอกเหนือไปจากฐานะที่เป็นออกไซด์การนำกระแสที่มีความโปร่งใส (อังกฤษ: transparent conducting oxide) หรือ TCO มันยังได้แสดงความสามารถในการเคลื่อนประจุที่สูง อาจนำไปสู่ข้อสรุปว่า มันอาจจะสามารถถูกนำไปใช้เป็นตัวสะสมและขนส่งประจุในเซลล์แสงอาทิตย์ การใช้งานของแกรฟีนใน OPVs สำหรับเป็นวัสดุ photoactive ต้องปรับ bandgap ให้อยู่ในช่วงของ 1.4 - 1.9eV ในปี 2010 Yong & Tour ได้รายงานประสิทธิภาพของเซลล์แสงอาทิตย์แกรฟีนโครงสร้างนาโนเซลล์เดียว ได้กว่า 12% อ้างอิงถึงข้อเขียนเรื่องอนาคตของแกรฟีนใน OPV ของ P. Mukhopadhyay และ R. K. Gupta ว่า อาจจะเป็น "อุปกรณ์ในที่ซึ่งแกรฟีนกึ่งตัวนำถูกใช้เป็นวัสดุ photoactive และแกรฟีนโลหะถูกใช้เป็นขั้วไฟฟ้า"

ห้องปฏิบัติการโรงเรียนวิศวกรรม USC Viterbi ได้รายงานการผลิตขนาดใหญ่ของแผ่นฟิล์มแกรฟีนโปร่งใสมากจากไอสารเคมีสะสมในปี 2008 ในขั้นตอนนี้นักวิจัยได้สร้างแผ่น แกรฟีนบางเฉียบโดยตอนแรกเป็นการวางอะตอมของคาร์บอน ในรูปแบบของฟิล์มแกรฟีน บนแผ่นนิกเกิลจากแก๊สมีเทน แล้วพวกเขาก็วางชั้นป้องกันของเทอร์โมพลาสติคเหนือชั้น แกรฟีนและละลายนิกเกิลใต้อ่างน้ำกรด ในขั้นตอนสุดท้าย พวกเขาแนบแกรฟีนที่มีการป้องกันด้วยพลาสติกไปกับแผ่นโพลิเมอร์ที่มีความยืดหยุ่นมากซึ่งจากนั้นจะสามารถรวมตัวเข้าไปในเซลล์ OPV (photovoltaics graphene) แผ่นแกรฟีน/ลิเมอร์ถูกผลิตที่มีขนาด ใหญ่ถึง 150 ตารางเซนติเมตร และสามารถใช้ในการสร้างอาร์เรย์ที่มีความหนาแน่นของเซลล์ OPV มีความยืดหยุ่นได้ ในที่สุดมันก็อาจเป็นไปได้ที่จะสั่งแท่นพิมพ์เพื่อวางเซลล์แสงอาทิตย์ราคาไม่แพงให้ครอบคลุมพื้นที่กว้าง เหมือนเช่นการพิมพ์หนังสือพิมพ์บนหนังสือพิมพ์ (ม้วนต่อม้วน)

ในขณะที่ซิลิกอนได้เป็นมาตรฐานสำหรับเซลล์แสงอาทิตย์เชิงพาณิชย์มานาน, การวิจัย ใหม่จากสถาบันวิทยาศาสตร์แห่งโฟโทนิค (ICFO) ในสเปนได้แสดงให้เห็นว่า แกรฟีน สามารถพิสูจน์ว่ามันมีประสิทธิภาพสูงขึ้นมาก เมื่อมันเปลี่ยนแสงให้เป็นพลังงาน การศึกษาพบว่ามันแตกต่างจากซิลิกอนที่สร้างเพียงหนึ่งอิเล็กตรอนที่ขับกระแสสำหรับแต่ละโฟตอนที่มันดูดซับ แต่แกรฟีนสามารถสร้าางได้หลายอิเล็กตรอน เซลล์แสงอาทิตย์ที่ทำด้วยแกรฟีนสามารถให้มีประสิทธิภาพได้สูงถึง 60% - สองเท่าของประสิทธิภาพสูงสุดที่ซิลิกอนทำได้

ประวัติและการค้นพบ

ค.ศ.1947 P. R. Wallace ได้ทำนายถึงโครงสร้างแถบพลังงานของแกรไฟต์ ในเชิงทฤษฎีด้วยวิธีการที่เรียกว่า Tight binding approximation โดยยังไม่พบได้จากการทดลอง จนกระทั่ง ค.ศ.2004 K. S. Novoselov, A. K. Geim และทีมงาน ได้พบการมีอยู่ของวัสดุยุคใหม่นี้ที่ชื่อ แกรฟีน เป็นผลให้ K. S. Novoselov และ A. K. Geim ได้รับรางวัลโนเบล สาขาฟิสิกส์ ในปี2010