„Grafén” változatai közötti eltérés

{{Nanotechnológia navoszlop/Szén nanoszerkezetek}}A '''grafén''' a [[szén]] egy [[Nanoszerkezet|nanoszerkezetűnanoszerkezet]]ű [[Allotrópia|allotrop]] módosulata, egy egyetlen atom vastagságú [[grafit]]réteg, melyet [[Méhsejtrács|méhsejtrácsosméhsejtrács]]os elrendezésben álló szénatomok alkotnak. Más megközelítésben tekinthető végtelen kiterjedésű [[Aromás szénhidrogének|aromás]] [[Óriásmolekula|óriásmolekulának]], illetve extrém méretű [[Policiklusos aromás szénhidrogének|policiklusos aromás szénhidrogénnek]].<ref>{{Cite web|url=http://goldbook.iupac.org/html/G/G02683.html|title=IUPAC Gold Book - graphene layer|accessdate=2018-02-02|last=Chemistry|first=International Union of Pure and Applied|work=goldbook.iupac.org|language=en|doi=10.1351/goldbook.G02683}}</ref>

A grafit egyatomos rétegeivel kapcsolatban már a 20. század közepén is volt elképzelés, és 1962-ben önállóan is észlelték a grafénlemezeket [[Elektronmikroszkóp|elektronmikroszkóposelektronmikroszkóp]]os vizsgálatok során.<ref>{{cite journal|author=H. P. Boehm et al.|year=1962|title=Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoff-Folien|journal=Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie|publisher=[[Wiley-Blackwell]]|volume=316|issue=3-4|pages=119–127|doi=10.1002/zaac.19623160303|issn=0044-2313}}</ref> Előállításukra egy frappáns eljárást javasolt 2004-ben [[Andre Geim]] és [[Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov]], a [[Manchesteri Egyetem]] fizikusai, mely eredményükért 2010-ben [[fizikai Nobel-díj]]at kaptak.<ref>{{Cite web|url=https://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/2010/|title=The Nobel Prize in Physics 2010|accessdate=2018-02-02|work=www.nobelprize.org}}</ref> A két fizikus speciális ragasztószalag segítségével addig szedett le rétegeket egy grafittömbről, amíg sikerült belőle egyetlen atomnyi réteget elválasztani. E munkájuk nyomán a grafén az alapkutatás és a mérnöki fejlesztőmunka népszerű témájává vált a 2000-es évek első és második évtizede határán. Kínai tudósok a [[napelem]]ek felületére víve elérték, hogy sötétben ill. esőben is termeljenek [[elektromos áram]]ot.<ref>Tudomány minden napra, M5 televízió, 2018. május 29.</ref>

[[Fájl:Nobel Prize 2010-Press Conference KVA-DSC 8006.jpg|bélyegkép|200px|[[Andre Geim]] és [[Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov]] 2010-ben|balra]]A grafén felfedezésének fontos előzményei közé tartozik, hogy 1859-ban [[Benjamin Collins Brodie]] angol kémikus lemezes szerkezetű termékeket figyelt meg grafiton végzett termikus oxidáció során.<ref name="credit">{{cite journal|author=A. K. Geim|year=2012|title=Graphene prehistory|journal=[[Physica Scripta]]|volume=146|pages=014003|doi=10.1088/0031-8949/2012/T146/014003|bibcode=2012PhST..146a4003G}}</ref><ref>{{cite journal|author=B. C. Brodie|year=1859|title=On the Atomic Weight of Graphite|journal=[[Philosophical Transactions of the Royal Society of London]]|volume=149|issue=|pages=249–259|doi=10.1098/rstl.1859.0013|bibcode=1859RSPT..149..249B|jstor=108699}}</ref> A szerkezetét 1916-ban [[Peter Debye]] és [[Paul Scherrer]] határozta meg [[Pordiffrakció|pordiffrakcióspordiffrakció]]s vizsgálatokkal.<ref>{{cite journal|author=[[Peter Debye|P. Debye]]|coauthors=[[Paul Scherrer|P. Scherrer]]|year=1916|title=Interferenz an regellos orientierten Teilchen im Röntgenlicht I|language=német|journal=Physikalische Zeitschrift|volume=17|page=277|url=http://resolver.sub.uni-goettingen.de/purl?PPN252457811_1916/dmdlog4|authorlink1=Peter Debye}}</ref> Az anyag részletes vizsgálatait Kohlschütter és Haenni német fizikusok végezték el 1918-ban, a grafit-oxid papírral kapcsolatos kutatásaik során.<ref name="Kohlschuttler1918">{{cite journal|author=V. Kohlschütter|coauthors=P. Haenni|year=1919|title=Zur Kenntnis des Graphitischen Kohlenstoffs und der Graphitsäure|language=német|journal=Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie|volume=105|issue=1|pages=121–144|doi=10.1002/zaac.19191050109|last2=|trans_title=}}</ref> Az anyagszerkezet részletesebb leírását adta [[John Desmond Bernal]] ír kutató egykristály-diffrakciós vizsgálatokon alapuló 1924-es eredménye.<ref>{{cite journal|last=Bernal|first=JD|authorlink=John Desmond Bernal|year=1924|title=The Structure of Graphite|journal=Proc. R. Soc. Lond.|volume=A106|issue=740|pages=749–773|doi=10.1098/rspa.1924.0101|jstor=94336|bibcode=1924RSPSA.106..749B}}</ref><ref>{{cite journal|last=Hassel|first=O|year=1924|title=Über die Kristallstruktur des Graphits|language=German|journal=Zeitschrift für Physik|volume=25|pages=317–337|doi=10.1007/BF01327534|last2=Mack|first2=H|trans_title=|bibcode=1924ZPhy...25..317H}}</ref>

A grafén-egyréteg első elméleti leírását [[Philip Russell Wallace]] kanadai elméleti fizikus adta 1947-ben, mely egyben lehetőséget adott a háromdimenziós grafit elektromos és mechanikai tulajdonságainak jobb megértésére is.<ref name=":2">{{cite journal|author=P. R. Wallace|date=1947-05-01|title=The Band Theory of Graphite|language=angol|journal=[[Physical Review]]|publisher=[[Amerikai Fizikai Társaság]]|volume=71|issue=9|pages=622–634|doi=10.1103/physrev.71.622|url=http://www-f1.ijs.si/~ramsak/Nanofizika/grafen/Wallace47.pdf|format=PDF|issn=0031-899X}}</ref> Ezen elmélet következménye, hogy a grafénben terjedő elektronokra felírt [[Dirac-egyenlet|Dirac-egyenletből]]ből nulla [[effektív tömeg]] származik, melyre elsőként Semenoff kanadai fizikus, illetve DiVincenzo és Mele kutatók mutattak rá.<ref name="devincenzo">{{cite journal|author=D. P. DiVincenzo|coauthors=E. J. Mele|year=1984|title=Self-Consistent Effective Mass Theory for Intralayer Screening in Graphite Intercalation Compounds|journal=[[Physical Review B]]|publisher=[[Amerikai Fizikai Társaság]]|volume=295|issue=4|pages=1685–1694|doi=10.1103/PhysRevB.29.1685|last2=Mele|first2=E. J.|bibcode=1984PhRvB..29.1685D}}</ref><ref name="2dgasDiracFermions">{{cite journal|author=K. S. Novoselov|coauthors=A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos, A. A. Firsov|year=2005|title=Two-dimensional gas of massless Dirac fermions in graphene|journal=[[Nature]]|publisher=[[Springer Nature]]|volume=438|issue=7065|pages=197–200|doi=10.1038/nature04233|pmid=16281030|arxiv=cond-mat/0509330|bibcode=2005Natur.438..197N}}</ref> Semenoff emellett arra a következtetésre is jutott, hogy a grafén [[Reciprokrács|reciprokrácsánakreciprokrács]]ának a Dirac-pontban [[Landau-nívó]] jelentkezik, ha az anyagot [[Mágnesesmágneses erő|mágneses erőtérbe]]térbe helyezzük. Ezzel magyarázható az anomális egész számú [[kvantum-Hall-effektus]] jelensége a grafénben.<ref name="Gusynin">{{cite journal|author=V. P. Gusynin|coauthors=S. G. Sharapov|year=2005|title=Unconventional Integer Quantum Hall Effect in Graphene|journal=[[Physical Review Letters]]|publisher=[[Amerikai Fizikai Társaság]]|volume=95|issue=14|page=146801|doi=10.1103/PhysRevLett.95.146801|pmid=16241680|arxiv=cond-mat/0506575|bibcode=2005PhRvL..95n6801G}}</ref><ref name="Berry'sPhase">{{cite journal|author=Y. Zhang|coauthors=Y. W. Tan, H. L. Stormer, P. Kim|year=2005|title=Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene|journal=[[Nature]]|publisher=[[Springer Nature]]|volume=438|issue=7065|pages=201–204|doi=10.1038/nature04235|pmid=16281031|arxiv=cond-mat/0509355|bibcode=2005Natur.438..201Z}}</ref>

Előállítási módjára Andre Geim és Konsztantyin Szergejevics Novoszjolov 2004-ben javasolt egy eljárást, munkájukat Hanns-Peter Boehm németi fizikus és kutatótársai 1962-es eredményeire alapozták.<ref name="credit" /><ref>{{Cite journal|last=Boehm|first=H. P.|date=1 July 1962|title=Das Adsorptionsverhalten sehr dünner Kohlenstoff-Folien|journal=Zeitschrift für anorganische und allgemeine Chemie|volume=316|issue=3–4|pages=119–127|doi=10.1002/zaac.19623160303|issn=1521-3749|first2=A.|last2=Clauss|first3=G. O.|last3=Fischer|first4=U.|last4=Hofmann}}}</ref> Maga a grafén kifejezés is Boehm kutatócsoportjától származik 1986-ból.<ref name="name">{{cite journal|author=H. P. Boehm|coauthors=R. Setton, E. Stumpp|year=1986|title=Nomenclature and terminology of graphite intercalation compounds|journal=[[Carbon (folyóirat)|Carbon]]|publisher=[[Elsevier]]|volume=24|issue=2|pages=241|doi=10.1016/0008-6223(86)90126-0|url=http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.566.9868&rep=rep1&type=pdf}}</ref>

A grafént érintő témakörökben Magyarországon számos publikáció született, a magyar kutatók a világ élvonalához tartoznak a grafén kutatásában. Az [[Magyar Tudományos Akadémia|MTA]] [[Természettudományi Kutatóközpont|Természettudományi Kutatóközpontjának]]jának [[MTA Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Kutatóintézet|Műszaki Fizikai és Anyagtudományi intézetében]] intenzív kutatás zajlik a témában. Foglalkoznak például grafén grafitból való, kísérleti célú előállításával, nanométeres mérettartományú megmunkálásával,<ref name=":0">{{cite journal|author=Tapasztó Levente|coauthors=Dobrik Gergely, Philippe Lambin, Biró László P.|date=2008-06-08|title=Tailoring the atomic structure of graphene nanoribbons by scanning tunnelling microscope lithography|journal=[[Nature Nanotechnology]]|publisher=[[Springer Nature]]|volume=3|issue=7|pages=397–401|doi=10.1038/nnano.2008.149|url=https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/0806/0806.1662.pdf|issn=1748-3387}}</ref> a grafén elektromos jellemzőinek a szerkezeti kialakítása általi befolyásolásával, a grafén különféle [[Pásztázó alagútmikroszkóp|pásztázó mikroszkópiai]] eszközökkel való módosításával,<ref>{{cite journal|author=Biró László P.|coauthors=Philippe Lambin|year=2010|title=Nanopatterning of graphene with crystallographic orientation control|journal=[[Carbon]]|publisher=[[Elsevier]]|volume=48|issue=10|pages=2677–2689|doi=10.1016/j.carbon.2010.04.013|url=http://www.nanotechnology.hu/reprint/Carbon_48_2677_graphene_nanopatterning.pdf|format=PDF|issn=0008-6223}}</ref> illetve a grafén [[Spintronika|spintronikaispintronika]]i,<ref>{{cite journal|last=Vancsó Péter|date=2017-02-24|title=A magnetic phase-transition graphene transistor with tunable spin polarization|journal=[[2D Materials]]|publisher=[[IOP Publishing]]|volume=4|issue=2|page=024008|doi=10.1088/2053-1583/aa5f2d|url=https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1702/1702.02458.pdf|issn=2053-1583|last2=Hagymási Imre, Tapasztó Levente}}</ref> illetve [[Mágnesség|mágneses]] jellemzőivel,<ref>{{cite journal|last=Magda|first=Gábor Zsolt et al|year=2014|title=Room-temperature magnetic order on zigzag edges of narrow graphene nanoribbons|journal=[[Nature]]|publisher=[[Springer Nature]]|volume=514|issue=7524|pages=608–611|doi=10.1038/nature13831|url=https://arxiv.org/ftp/arxiv/papers/1411/1411.1196.pdf|issn=0028-0836}}</ref> illetve grafénen kialakított [[Kvantumpötty|kvantumpöttyökkvantumpötty]]ök vizsgálataival.<ref>{{cite journal|author=Nils M. Freitag|coauthors=Larisa A. Chizhova, Nemes-Incze Péter, Colin R. Woods, Roman V. Gorbachev, Yang Cao, Andre K. Geim, Kostya S. Novoselov, Joachim Burgdörfer, Florian Libisch, Morgenstern Florian, Markus Morgenstern|date=2016-08-08|title=Electrostatically Confined Monolayer Graphene Quantum Dots with Orbital and Valley Splittings|journal=[[Nano Letters]]|publisher=[[Amerikai Kémiai Társaság]]|volume=16|issue=9|pages=5798–5805|doi=10.1021/acs.nanolett.6b02548|issn=1530-6984}}</ref>

A grafén izolált előállítására alkalmas módszer 2004-es kidolgozása előtt nem volt ismert más kétdimenziós, kristályos anyag. Emellett a Mermin–Wagner-tétel<ref>{{cite journal|author=N. D. Mermin|coauthors=H. Wagner|date=1966-11-28|title=Absence of Ferromagnetism or Antiferromagnetism in One- or Two-Dimensional Isotropic Heisenberg Models|journal=[[Physical Review Letters]]|publisher=[[Amerikai Fizikai Társaság]]|volume=17|issue=22|pages=1133–1136|doi=10.1103/physrevlett.17.1133|issn=0031-9007}}</ref> értelmében kétdimenziós rácsot nem jellemezhet hosszútávú rend, a [[hőmozgás]] miatt az atomok kitérése összemérhető a [[Rácsállandó|rácsállandóvalrácsállandó]]val. Emiatt sokan úgy vélték, hogy kétdimenziós kristály a természetben nem fordulhat elő, mert a hőmozgás szétzilálja a szerkezetet. Csak később, a grafénen történt vizsgálatok ismeretében oldották fel ezt az ellentmondás. A szilárdtestfizikai magyarázat szerint a szabadon álló grafén valójában nem tökéletesen sík, hanem felülete fodrozódik, mely a grafén síkbeli rácsrezgéseivel [[Csatolás (fizika)|csatolásba]]{{Wd|Q949350}} kerülve stabilizálja a szerkezetet.

Az ideális grafénban az elektromok [[Elektronmobilitás|mobilitása]] meghaladhatja a {{Szám|1000000|cm²/Vs}}-ot,<ref>{{cite journal|last=D. C. Elias et al|date=2011-07-24|title=Dirac cones reshaped by interaction effects in suspended graphene|journal=[[Nature Physics]]|publisher=[[Springer Nature]]|volume=7|issue=9|pages=701–704|doi=10.1038/nphys2049|issn=1745-2473}}</ref> ami mikrométeres méretben már szobahőmérsékleten is veszteségmentes [[Ballisztikusballisztikus vezetés|ballisztikus vezetésnek]]nek felel meg. Ez azt jelenti, hogy a hibamentes grafénen nem szabadul fel [[Elektromos áram#Hőhatás|Joule-hő]], amikor áramot vezet, ellenállása pedig igen csekély, hiszen az elektronok rajta áthaladva alig szenvednek szóródást. A gyakorlatban hibamentes grafén előállítása nehéz, továbbá a grafénre kapcsolt elektromos csatlakozókon (elektródákon) jelentkezik Joule-hő.

Az extrém elektromos jellemzők a szerkezet mikroszkopikus jelenségeivel, az anyag sajátos [[Kristályszerkezet|kristályszerkezetévelkristályszerkezet]]ével, illetve [[Sávszerkezet|elektromos sávszerkezetével]] magyarázhatók. A kétdimenziós anyagban az elektronok a tér két irányában szabadon elmozdulhatnak, a grafénsíkra merőlegesen azonban [[Kvantumbezárás|kvantumbezárásikvantumbezárás]]i jelenség lép fel, mely további érdekes jelenségekhez vezet.{{h|Castro Neto|2009|o=110}}

A szerkezet következtében a Fermi-szint feletti kis gerjesztési szinteken a sávelektronok [[Effektíveffektív tömeg|effektív tömege]]e nulla, és bár nem [[Relativitáselmélet|relativisztikus]] fizikai jelenségkörről van szó, a vezetési sáv elektronjainak viselkedésére a [[Schrödinger-egyenlet]] helyett meglepő módon mégis a [[Dirac-egyenlet]] ad jó leírást.{{h|Castro Neto|2009|o=111}} <gallery widths="180" heights="180" class="center">

</gallery>

A grafén extrém tulajdonságokkal rendelkező nanoszerkezetű alapanyag, amely az elektronikától az orvostudományig nagyon sok területen ígér áttörésjellegű előrelépést. A grafén keményebb a gyémántnál, jobb elektromos vezető a réznél, és rugalmasabb a guminál, bár e jellemzőit a gyakorlatban néha nehéz kihasználni.

Jó vezetőképessége révén viszonylag nagy a mikrohullámú sugárzást elnyelő képessége. E jellemzője révén például elképzelhető, hogy a bizalmas adatok lehallgatását gátló eszközök, illetve lopakodó repülőgépek kifejlesztésénél is alkalmazzák. A mikrohullámú visszaverés például [[Szigetelő|szigetelőrétegekszigetelő]]rétegek és grafénrétegek váltakozó kialakításával minimalizálható.<ref name=":1" />

* Tengervíz-sótalanítás <ref>{{Cite web|url=http://www.nanotechnology.hu/magyarul/2017/2017_05_03_info_radio.pdf|title=Milliárdok életét teheti jobbá ez a technológia (beszélgetés Bíró László Péterrel)|accessdate=2018-02-05|author=Domanits András|year=2017|work=Szigma - a holnap világa (tudományos magazinműsor)}}</ref>