Grafen, dvodimenzionalni oblik kristalnog ugljika, bilo jedan sloj ugljikovih atoma koji formira rešetku saća (šesterokutna), ili nekoliko povezanih slojeva ove strukture saća. Riječ grafen, kada se koristi bez navođenja oblika (npr. Dvoslojni grafen, višeslojni grafen), obično se odnosi na jednoslojni grafen. Grafen je roditeljski oblik svih grafitnih struktura ugljika: grafit, trodimenzionalni kristal koji se sastoji od relativno slabo spojenih slojeva grafena; nanocjevčice, koje mogu biti predstavljene kao svitci grafena; i kuglice, sferične molekule izrađene od grafena s nekolicinom šesterokutnih prstenova zamijenjenih peterokutnim prstenima.
Prve studije grafen
Teorijsko proučavanje grafena započeo je 1947. fizičar Philip R. Wallace kao prvi korak u razumijevanju elektronske strukture grafita. Izraz grafen uveli su kemičari Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton i Eberhard Stumpp 1986. godine kao kombinacija riječi grafit, a odnosi se na ugljik u njegovom naručenom kristalnom obliku, a sufiks -ene, a odnosi se na policikličke aromatske ugljikovodike u kojima ugljikovi atomi tvore šesterokutne ili šesterostrane prstenaste strukture.
Godine 2004. fizičari Sveučilišta u Manchesteru Konstantin Novoselov i Andre Geim s kolegama izolirali su jednoslojni grafen izuzetno jednostavnom metodom pilinga iz grafita. Njihova "metoda ljepljive trake" koristila je ljepljivu traku za uklanjanje gornjih slojeva s uzorka grafita, a zatim nanošenje slojeva na materijal podloge. Kada je traka uklonjena, neki grafen je ostao na podlozi u jednoslojnom obliku. Zapravo, dobivanje grafena samo po sebi nije težak zadatak; svaki put kada netko crta olovkom na papir, trag olovke sadrži mali dio jednoslojnog i višeslojnog grafena. Postignuće Manchester skupine nije bilo samo izoliranje pahuljica grafena, već i proučavanje njihovih fizičkih svojstava. Konkretno, pokazali su da elektroni u grafenu imaju vrlo visoku pokretljivost, što znači da bi se grafen mogao koristiti u elektroničkim aplikacijama. Geim i Novoselov su za svoj rad dobili Nobelovu nagradu za fiziku 2010. godine.
U tim prvim eksperimentima supstrat za grafen bio je silicij koji je prirodno pokriven tankim prozirnim slojem silicijevog dioksida. Pokazalo se da je jednoslojni grafen stvorio optički kontrast sa silicijevim dioksidom koji je bio dovoljno jak da grafen bude vidljiv pod standardnim optičkim mikroskopom. Ova vidljivost ima dva uzroka. Prvo, elektroni u grafenu djeluju vrlo snažno s fotonima u frekvencijama vidljive svjetlosti, apsorbirajući oko 2,3 posto intenziteta svjetlosti po atomskom sloju. Drugo, optički kontrast je snažno pojačan interferencijskim pojavama u sloju silicijevog dioksida; to su isti fenomeni koji stvaraju duge boje u tankim filmovima poput filma sapuna ili ulja na vodi.
