آشنایی با گرافن

گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد. گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکون در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است.

اگر چه کربن می تواند با پیوند برقرار کردن با چهار اتم  یک شبکه ی سه بعدی الماس را شکل دهد، اما وقتی کربن با سه اتم کربن پیوند برقرار می کند یک ورقه ی دوبعدی ایجاد می شود .  این ورقه ها را گرافن یا گرافین می نامند .

خواص گرافن :

گرافین یا گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد. گرافین به علت داشتن خواص فوق‌العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل‌های بار، رسانندگی اپتیکیو خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده است.

این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق‌العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافین در حدود ۰٫۱۴۲ نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافین است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که برهم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصلهٔ بین صفحه‌ای ۰٫۳۳۵ نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافیتی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافینی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام گرافین کم لایه و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافین چند لایه، گرافین ضخیم و یا نانو بلورهای نازک گرافیتی، می‌نامند.

گرافین خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد. درگرافین طیف حامل‌ها شبیه به طیف فرمیون‌های دیراک بدون جرم می‌باشد و به علاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح و کسری، در این سامانه باعث شده است که توجه بسیاری از فیزیکدان‌ها از حوزه‌های مختلف فیزیک به آن جلب شود. علاوه بر این‌ها خصوصیات سامانه‌های گرافین بطور مستقیم به تعداد لایه‌های گرافین موجود در سامانهٔ مورد نظر بستگی دارد. به عنوان مثال، گذردهی نوری برای گرافین تک لایه تقریباً برابر با ۹۷ درصد و مقاومت صفحهٔ آن ۲/۲ می‌باشد وگذردهی نوری برای گرافین‌های دو، سه و چهار لایه به ترتیب ۹۵، ۹۲ و ۸۹ درصد با مقاومت صفحهٔ به ترتیب ۱، ۷۰۰ و ۴۰۰ است که نشان دهندهٔ آن است که با افزایش تعداد صفحات گرافین گذردهی نوری سامانه کم می‌شود.

از سوی دیگر چگالی حامل بار در گرافین از مر تبه ۱۰۱۳ بر سانتی‌متر مربع با تحرک پذیری تقریباً 15000 cm۲/V.s و با مقاومتی از مرتبه ۶-۱۰ اهم-سانتی‌متراست که به نحو مطلوبی قابل مقایسه با ترانزیستورهای اثر میدانی (FET) می‌باشد. خواص منحصربفرد گرافین آن را کاندیدهای بسیار مطلوبی برای طراحی نسل بعدی قطعه‌های الکترونیکی و نوری همچون ترانزیستورهای بالستیک، ساطع کننده‌های میدان، عناصر مدارهای مجتمع، الکترودهای رسانای شفاف، و حسگرها قرار داده است. همچنین، رسانندگی الکتریکی و گذردهی نوری بالای گرافین، آن را به عنوان کاندیدی مناسب برای الکترودهای رسانای شفاف، که مورد استفاده در صفحه‌های لمسی و نمایشگرهای بلوری مایع و سلول‌های فوتوالکتریک و به علاوه دیودهای آلی ساطع کننده نور (OLED) معرفی می‌کند. بکار گیری بسیاری از این سامانه‌های اشاره شده منوط به داشتن تک لایه گرافینی پایدار بر روی زیر لایه مناسب با گاف انرژی قابل کنترل می‌باشند.

ورقه های گرافن از اتم های کربن که به شکل شش گوش به هم پیوند شده اند تشکیل یافته است .  هر اتم کربن با پیوند کوالانسی به سه اتم دیگر متصل است . به خاطر استحکام پیوند کوالانسی بین اتم های کربن ، گرافن استحکام کششی بسیار بالایی دارد . به علاوه گرافن ، بر خلاف باکی بالها و نانو لوله های کربنی ، به خاطر مسطح بودنش هیچ درونی ندارد .  در باکی بالها و نانو لوله ها که هر اتم کربن  بر روی سطح قرار دادرد تنها می تواند با  مولکولهایی که آن را احاطه کرده اند واکنش و تعامل داشته باشد.

در گرافن هر اتم از دو طرف قابل دسترسی است و  می تواند تعامل بیشتری با مولکولهای اطرافش داشته باشد .  در گرافن اتم های کربن تنها با سه  اتم پیوند شده اند ، ولی توانایی اتصال به چهار اتم کربن نیز در آنها وجود دارد . این  توانایی  به همراه استحکام کششی بالا و نسبت  سطح به حجم بالا ، این مواد را به یک ماده ی عالی برای ساخت کامپوزیتها تبدیل کرده است .  محققان گزارش کرده اند که مخلوط گرافن در یک اپوکسی ، افزایش استحکامی برابر با  نانو لوله ها را ایجاد کرده است . خواص الکتریکی کلیدی گرافن حرکت و موبایلیته ی الکترونهاست . حرکت الکترونهای گرافن سریعتر از هر ماده ی دیگری است  و محققان در حال گسترش ترانزیستورهایی بر روی گرافن هستند که سرعت بالایی دارد .یکی دیگر از کاربردهای جالب گرافن ، استفاده از خاصیتی است که ورقه های گرافن تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت دارند . محققان دریافته اند که  آنها می توانند از نانو متخلخل ها برای آنالیزDNA   استفاده کنند .  وقتی مولکول DNA  از نانو متخلخل ها که ولتاژی  به آنها وصل شده ، عبور میکنند ، محققان می توانند با استفاده از تغییر در جریان الکتریکی ساختار DNA   را تشخیص دهند .از آنجایی که گرافن بسیار نازک است ، ساختار DNA   وقتی از یک نانو متخلخل قرار گرفته بر روی ورقه های گرافن عبور میکند ، رزولوشون بالاتری خواهد داشت .

• سبکی و نازکی : هر چیزی که تنها به اندازه ی یک اتم ضخامت داشته باشد بسیار سبک خواهد بود .
• خواص الکترونیکی : یکی از مفیدترین خواص گرافن ، خاصیت الکترونیکی آن است . اتم های کربن 6 الکترون دارند . 2 تا از این الکترونها در پوسته ی داخلی و 4 تای آن در پوسته ی خارجی قرار دارد . 4 اتمی که در پوسته ی بیرونی قرار دارد می تواند در واکنشهای شیمیایی شرکت کرده و با اتم های دیگر تشکیل پیوند دهد .  اما در گرافن ، هر اتم کربن تنها به سه اتم دیگر متصل شده است ، و یک اتم به صورت آزاد قرار دارد . این الکترون آزاد الکترون Pi    (π)  نامیده می شود . این اوربیتالهای pi  همپوشانی کرده و پیوند کربن-کربن در گرافن را بهبود می بخشد . اساسا ، خاصیت الکترونی گرافن به خاطر پیوند و ضد پیوند این اوربیتالهای پی است .
• خواص نوری : توانایی جذب 2.3 درصد از نور سفید در گرافن یک خاصیت بسیار ویژه است .این موضوع به خاطر  خاصیت الکترونیکی آن است که قبلا نیز گفته شد . الکترونها مانند حاملهای بار بدون جرم عمل می کنند .

گرافیت ماده ای است که در نوک مدادها از آن استفاده می شود  و این ماده از ورقه  های گرافن که بر روی هم انباشته شده اند تشکیل شده اند .بین  ورقه های گرافن در گرافیت ، فضای خالی وجود دارد . همانطور که در شکل می بینید ، ورقه ها توسط نیروی واندروالانس به هم پیوند شده اند .

  گرافن نام یکی از آلوتروپ هاي کربن است.در گرافیت (یکی دیگر از آلوتروپ هاي کربن)، هر کدام از اتم‌هاي چهارظرفیتی کربن، با سه پیوند کووالانسی به سه اتم کربن دیگر متصل شده‌اند و یک شبکه گسترده را تشکیل داده‌اند. این لایه خود بر روي لایه‌ای کاملاً مشابه قرار گرفته‌است و به این ترتیب، چهارمین الکترون ظرفیت نیز یک پیوند شیمیایی داده‌است، اما این پیوند این الکترون چهارم، از نوع پیوند واندروالسی است که پیوندی ضعیف است. به همین دلیل لایه‌های گرافیت به راحتی بر روی هم سر می‌خورند و می‌توانند در نوک مداد به کار بروند. گرافن ماده‌ای است که در آن تنها یکی از این لایه‌های گرافیت وجود دارد و به عبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، به عنوان الکترون آزاد باقی مانده‌است.

هر چند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس درباره گرافن نوشت و سپس از آن زمان تلاش‌های زیادی برای ساخت آن صورت گرفته بود اما قضیه‌ای به نام قضیه مرمین- واگنر در مکانیک آماری و نظریه میدان‌های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیرممکن و چنین ماده‌ای را غیرپایدار می‌دانست. اما به هر حال در سال ۲۰۰۴، آندره گایم و کنستانتین نووسلف، از دانشگاه منچستر موفق به ساخت این ماده شده و نشان دادند که قضیه مرمین- واگنر نمی‌تواند کاملا درست باشد. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز به خاطر ساخت ماده‌ای دوبعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت.

تاریخچه :

اصطلاح گرافن اولین بار در سال 1962 میلادی توسط Hanns-Peter Boehm معرفی شد. وی کسی بود که قصد داشت از این اصطلاح جهت توصیف فویل کربن تک لایه استفاده کند. بسیاری از دانشمندان تصور می نمودند که صفحه کربن در این ضخامت اندک و برابر با قطر یک اتم کربن، نمی تواند پایدار باشد و سال های بسیاری پس از آن تحقیقات متوقف مانده بود تا جایی که در سال 2004 دو دانشمند به نام های کنستانتین نووسلوف و آندره جیم نخستین بار به طرز موفقیت آمیزی صفحات گرافن را با استفاده از نوار چسب جدا کردند. نوار پیوسته مکرراً استفاده شد تا گرافیت را به تکه های نازک تری جدا کند. سپس نوار با تکه های گرافیت مجزا در استون حل شد و بعد از چند فرآیند، تکه های شامل تک لایه روی یک قرص سلیکونی رسوب داده شد. گفتنی است که جهت کنترل مراحل مذکور از یک میکروسکوپ نوری استفاده شده است. این روش به نوار اسکاچ معروف گشته است.

روش مذکور برای جامعه فیزیک یک شگفتی بود و به همین علت جیم و نووسلوف و همکارانشان از دانشگاه منچستر جایزه نوبل فیزیک سال 2010 را از آن خود نمودند.

اگرجه گرافنی که از این روش تولید می گشت به دلیل مشکلات تولیدی بسیار گران تهیه می گردید، ولی امروزه با گذشت زمان و توسعه روش های نوین، فرایند لایه برداری ورقه های گرافن با روش های خیلی ارزانتر تولید می گردد. گرافن قبلاً در سال 1947 توسط والاس مورد مطالعه قرار گرفت. او برای محاسبات در زمینه فیزیک حالت جامد گرافن را مورد بررسی قرار داد و ساختار الکترونیکی آن را پیش بینی نمود.

 معرفی :

گرافن ساختار دو بعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری کربنی می‌باشد. گرافن به علت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری حامل های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده‌ای منحصربفرد تبدیل شده است. این سامانه جدید حالت جامد به واسطه این خواص فوق العاده به عنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکون در نسل بعدی قطعه‌های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه‌ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است. طول پیوند کربن ـ کربن در گرافین در حدود 0.142 نانومتر است. ساختار زیر بنایی برای ساخت نانو ساختارهای کربنی، تک لایه گرافن است که اگر بر روی هم قرار بگیرند توده سه بعدی گرافیت را تشکیل می‌دهند که بر هم کنش بین این صفحات از نوع واندروالسی با فاصله ی بین صفحه ای 0.335 نانومتر می‌باشد. اگر تک لایه گرافیتی حول محوری لوله شود نانو لوله کربنی شبه یک بعدی واگر به صورت کروی پیچانده شود فلورین شبه صفر بعدی را شکل می‌دهد. لایه‌های گرافنی از 5 تا 10 لایه را به نام گرافن کم لایه و بین 20 تا 30 لایه را به نام گرافن چند لایه ، گرافن ضخیم و یا نانو بلور های نازک گرافیتی، می‌نامند. گرافن خالص تک لایه ازخود خواص شبه فلزی نشان می‌دهد. [4].

 گرافن و کاربردهای آن:

ایده‌ گرافن به‌صورت نظری، برای اولین بار توسط فیلیپ والاس در سال۱۹۴۷ بیان شد. محرک او برای بیان این ایده، تحقیق و فعاليتش روی گرافیت ( گرافن سه‌بعدی) بود. البته نام گرافن به‌طور رسمی تا چهل سال بعد، زمانی که به‌عنوان تک‌لایه‌ی تشکیل‌دهنده‌ گرافیت به‌کار رفت، استفاده نشد. در حقیقت گرافن، یک شبکه‌ی لانه‌زنبوري ۲بعدی‌ست که از پیوند کووالانسي اتم‌هاي کربن به‌وجود آمده است و ضخامتش تنها یک‌اتم کربن است. گرافن پایه و اساس گرافیت است، به‌این علّت که با روی هم قرار گرفتن گرافن‌ها، گرافیت به‌وجود می‌آید. به‌عبارت دیگر یک‌گرافیت از گرافن‌هایی تشکیل شده است که به‌وسیله‌ نیروهای جاذبه‌ ضعیف بین مولکولی روی هم قرار گرفته‌اند. لازم به‌ذکر است که شکل کاملاً قابل مشاهده و آزمایش آن تا سال ۲۰۰۴ کشف نشده بود.

در طول ۶ سال گذشته، دانشمندان کشف کرده‌اند که گرافن ویژگی‌های منحصربه ‌فرد و عجیبی دارد. بعضی‌ها می‌گویند که این ماده می‌تواند زندگی ما را در قرن۲۱ متحول کند. نه‌تنها گرافن نازک‌ترین ماده‌ای‌ست که قابلیت شکل‌پذیری مفید و بهره‌برداری از این‌قابلیتش را دارد، بلکه ۲۰۰ برابر مستحکم‌تر از فولاد است و از لحاظ رسانايي الکتریکی، برتر از هر نوع ماده‌ای‌ست که در دمای اتاق وجود دارد.

   در حقیقت یکی از مهم‌ترین کاربردهای گرافن می‌تواند در الکترونیک باشد.

نوبل امسال به‌دو دانشمند روس به‌نام‌های کنستانتین نوسلو و آندره گیم رسید که علّت این جایزه کار نوی آن‌ها در این‌مسئله بود که می‌تواند منجر به‌انقلابی در صنعت الکترونیک و امکان ساخت وسایلی سخت‌تر از فولاد و جرمی کمتر از حدّ معمول گردد. گیم می‌گوید:

می‌توان این وضعیت را شبیه۱۰۰ سال پیش دانست، یعنی زمانی که پلیمرها کشف شدند. مدتی زمان برد تا پلیمرها در پلاستیک به‌کار روند و این‌چنین در زندگی ما پر اهمیت گردند.

 ذره‌ای از کاربردهای محتمل گرافن می‌تواند موارد زیر باشد:

• استفاده شدن به‌جای فیبرهای کربن در کامپوزیت ‌ها که نتیجتا باعث ایجاد هواپیماها و ماهواره‌های سبک‌تر گردد.

• استفاده شدن به‌جای سیلیکون‌های نیمه‌رسانا در ترانزیستورها.

• جاسازی کردن گرافن در پلاستیک که می‌تواند پلاستیک مذکور را رسانا کند.

• امکان بالابردن دوام باتری‌ها با استفاده از غبار گرافنی.

• کاربرد در الکترونیک نوری.

• ایجاد پلاستیک‌هایی سخت‌تر، مستحکم‌تر و سبک‌تر.

• کاربرد به‌عنوان پوشش شفاف رسانا برای سلول‌های خورشیدی و نمایشگرها.

• ایجاد توربین‌های بادی کارآمدتر.

• ایجاد ایمپلنت‌های مستحکم‌تر (پزشکی).

• کاربرد در تجهیزات ورزشی.

• ایجاد ابرخازن‌ها.

• کاربرد برای پیشرفت صفحات لمسی.

• کاربرد در LCD ها.

•کاربرد در OLED ها.

  اختراع روشی برای تولید ورقه های گرافن با کیفیت بالا:

روش های کنونی منفرد کردن گرافن هر یک مشکلاتی به همراه دارد. معمولترین این روشها تقسیم مکانیکی است (یعنی جدا کردن ورقه ها از یک کریستال بزرگتر)، اما این روش نمیتواند به گونه ای قابل اعتماد نمونه های گرافن به اندازه کافی بزرگ برای کاربرد را تولید کند.

روش دیگر که در آن ساختار اتمی یک زیر لایه بعنوان بذری برای رشد گرافن مورد استفاده قرار میگیرد و به رشد همبافته (epitaxial growth) نیز مشهور است، نمونه ای با ضخامت یکنواخت از لایه های گرافن تولید نمیکند در حالی که پیوند بین لایه عمقی گرافن و زیر لایه ممکن است روی خواص لایه های کربن تاثیر گذار باشد.

گرافن دارای چندین ویژگی است که آنرا برای کاربرد های الکترونیک مطلوب میسازد. یکی از این خواص قابلیت حرکت بسیار بالای حامل های بار در آن است. الکترونها در گرافن نسبتا آزادانه حرکت میکنند. همچنین گرافن به یک تک مولکول گاز میتواند واکنش نشان بدهد و در نتیجه برای ساخت ماده ردیاب در سنسورها از جذابیت زیادی برخوردار است.

فرآیند ابتکاری رشد این گروه در دمای بالا اتفاق می افتد. برای شروع، محققان اتمهای کربن را وادار میکنند تا جذب روتنیم شوند و این کار را با حرارت دادن کل نمونه تا دمای 1150 درجه سلسیوس انجام میدهند. سپس نمونه تا حدود 850 درجه سلسیوس سردمیشود و این کار باعث خواهد شد مقادیر زیادی از اتمهای جذب شده درون روتنیم، به سطح آن بازگردند. این اتمهای کربن بصورت نقطه نقطه روی سطح تک لایه های جزیره ای لنز مانندی با پهنای حدود 100 میکرومتر (یک میلیونیم متر) تشکیل میدهند.

گرافن یکی از مواد کریستالی دو بعدی است که در سال های اخیر شناسایی و تحلیل شده اند. صفحه ای ورقه ای شکل به ضخامت اتم کربن را گرافن تک لایه می نامند. این ماده جدید ویژگی های منحصر به فرد زیادی دارد که این امر باعث می شود آن را برای مطالعات اساسی و کاربردهای آینده به ماده ای جالب مبدل سازد. گرافن به عنوان یکی از آلوتروپ های کربن در یک شبکه شش وجهی (لانه زنبوری) با فاصله پیوند کربن- کربن و ضخامت 142/0 نانو متر صفحات مطرح است.

صفحات گرافن با کنار هم قرار گرفتن اتم ها ی کربن تشکیل می شوند. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن با 3 اتم کربن دیگر پیوند داده است. این سه پیوند در یک صفحه قرار دارند و زوایای بین آنها با یکدیگر مساوی و برابر با120 درجه می باشد. در این حالت، اتم های کربن در وضعیتی قرار می گیرند که شبکه ای از شش ضلعی ها ی منظم را ایجاد می کنند. البته این ایده آل ترین حالت یک صفحه ی گرافن است. در برخی مواقع، شکل این صفحه به گونه ای تغییر می کند که در آن پنج ضلعی ها و هفت ضلعی هایی نیز ایجاد می شود. در یک صفحه گرافن، هر اتم کربن یک پیوند آزاد در خارج از صفحه دارد. این پیوند مکان مناسبی برای قرار گیری برخی گروه های عاملی و هم چنین اتم های هیدروژن است. پیوند بین اتم های کربن در اینجا کووالانسی بوده و بسیار محکم است. بنابراین گرافن استحکام بسیار زیادی دارد و انتظار می رود که نانو لوله های کربنی پر مصرف و شناخته شده است، از روی هم قرار گرفتن لایه های گرافن و نتشکیل یک ساختار منظم تشکیل می شود. اما همینطور که می دانیم، گرافیت بسیار نرم است.

آنچه لایه های گرافن را روی یکدیگر نگه می دارد، پیوندهای واندروالس بین آن هاست. این پیوند بسیار ضعیف است. بنابراین لایه های گرافن به راحتی می توانند روی هم بلغزند و به همین دلیل است که گرافیت (نوک مداد سیاه) نرم میباشد.

 خواص گرافن :

گرافن به دلیل ساختار خود، در زمینه های زیادی ویژگی های بسیار منحصر به فردی را نشان می دهد. ثابت شده است که گرافن قوی ترین ماده ای می باشد که تا کنون اندازه گیری شده است. فرانک و همکاران دانشگاهی وی از دانشکده پومونا و دانشگاه کرنل، ثابت فنر ورقه گرافن معلق را اندازه گرفته اند. ثابت فنر ورقه های گرافنی لایه ای با ضخامت بین 2 و 8 نانومتر در محدوده بین 1 تا 5 نیوتن بر متر قرار دارد که این محدوده بر اساس مقیاس گذاری ابعاد قطعه به دست آمده است و مدول یانگ اندازه گیری شده در حدود 5/0 تراپاسکال گزارش شده است. برخی از خصوصیات دیگر گرافن که تاکنون تعیین شده است بدین صورت بیان میگردد:

 چگالی :

سلول واحد شش وجهی گرافن دو اتم کربن دارد و سطح مقطعی برابر 052/0 نانومتر مربع دارد. بر اساس محاسبات چگالی آن77/0 میلیگرم بر متر مربع است. تختخواب توری شکلی را تصور کنید که مساحت آن یک متر مربع است و 0/77 میلی گرم وزن دارد.

 شفافیت نوری :

گرافن تقریباً شفاف است. فقط 3/2% از شدت نور را مستقل از طول موج در دامنه اپتیکی جذب می کند. این عدد بیانگر آن است که گرافن معلق هیچ رنگی ندارد.

مقاومت مکانیکی :

مقاومت شکست گرافن 42 نیوتن بر متر مربع است. برای یک فیلم نازک فرضی از فولاد با ضخامت مشابه گرافن، (ضخامت لایه ای 3/35 آنگستروم از گرافیت) مقاومت شکست در حدود 0/42- 0/084 نیوتن بر متر مربع خواهد بود و نشانگر آن است که استحکام گرافن 100 برابر فولاد است.

 رسانایی الکتریکی :

مقاومت ورقه دو بعدی گرافن که مقاومت بر واحد سطح نیز گفته می شود، 31 اهم است. رسانایی الکتریکی گرافن در مقایسه با مس کمتر می باشد و هادی بهتری خواهد بود.

 رسانایی گرمایی :

رسانایی گرمایی گرافن تقریباً 5000 وات بر متر درجه کلوین اندازه گرفته شده است. رسانایی گرمایی مس در دمای اتاق 401 وات بر متر درجه کلوین است. یعنی گرافن 10 برابر بهتر از مس گرما را منتقل می کند.

پژوهشگران آمریکایی و چینی موفق شدند گرافن را به‌صورتی مهندسی کنند که هدایت الکتریکی آن افزایش یابد. با این کار دامنه کاربرد گرافن گسترش می‌یابد. یکی از موارد استفاده از این گرافن مهندسی شده، به‌کارگیری آن در سیستم‌های خنک کننده در قطعات الکترونیکی است.

محققان دانشگاه کالیفرنیا، دانشگاه تگزاس و دانشگاه زیامن در چین نشان دادند که خواص گرمایی گرافنی که از نظر ایزوتوپی مهندسی شده، با گرافن معمولی تفاوت بسیاری دارد. نتایج این تحقیق که به رهبری رودنی رادولف انجام شده، در قالب مقاله‌ای تحت عنوان Thermal conductivity of isotopically modified graphene در نشریه Nature Materials به چاپ رسیده است.

نتایج این تحقیق موجب می‌شود تا گرافن یک گام برای استفاده به‌عنوان عایق حرارت نزدیک‌تر شود. در نتیجه می‌توان از گرافن در حوزه‌های مختلف از الکترونیک گرفته تا پیل‌های خورشیدی استفاده کرد.

رودنی رادولف می‌گوید اهمیت یافته‌های این تحقیق در آن است که می‌توان خواص هدایت گرمایی گرافن خالص را بهبود داد بدون این که خواص دیگر آن نظیر خواص الکتریکی، نوری و فیزیکی آن تغییر کند گرافنی که از نظر ایزوتوپی خالص است، می‌تواند در حوزه‌های مختلف مورد استفاده قرار گیرد و از طرفی هزینه تولید را نیز تحت کنترل درآورد. رودنی رادولف می‌افزاید، نتایج آزمایشگاهی مربوط به هدایت گرمایی در گرافن مهندسی شده برای توسعه نظریه هدایت گرمایی در گرافن و دیگر بلورهای دو بعدی، بسیار مهم است.

در این پروژه از روش رامان اپتوگرمایی استفاده شده است، در این روش هدایت گرمایی اندازه‌گیری می‌شود که در توسط بالاندین ارائه شده است. بالاندین و گروه تحقیقاتی‌اش در سال 2008 ثابت کردند که گرافن یک رسانای گرمایی بسیار عالی است. آنها اولین نظریه مربوط به هدایت گرمایی را برای گرافن و بلورهای دو بعدی مرتبط با آن ارائه کردند.

این تحقیق که در نشریه Nature Materials به چاپ رسیده نشان می‌دهد هدایت الکتریکی گرافنی که از نظر ایزوتوپی مهندسی شده، بسیار بیشتر از گرافن طبیعی است. مواد کربنی طبیعی معمولا از دو نوع ایزوتوپ تشکیل می‌شوند: ایزوتوپ 12 با فراوانی 99 درصد و ایزوتوپ 13 با یک درصد فراوانی. تفاوت میان ایزوتوپ‌ها جرم اتمی آنها است که موجب می شود خواص دینامیک شبکه آن اصلاح شده و روی خواص گرمایی نیز تاثیر گذار است. اهمیت این تحقیق به‌دلیل نیاز مبرم به هدایت گرمایی بالا مشخص می‌شود. زدایش گرمایی یک موضوع بسیار مهم در توسعه صنعت الکترونیک محسوب می‌شود. نیاز به دفع گرما با کوچکتر شدن ادوات الکترونیکی بیشتر می‌شود. این تحقیق می‌تواند برای طراحی نسل جدیدی از ادوات الکترونیکی مفید باشد.

 • ساختار اتمی

ساختار اتمی تک لایه ی مجزای گرافین به روش میکروسکوپی عبوردهی الکترونی (Transmission Electron Microscopy) بر روی ورقه هایی از گرافین که در بین دو شبکه آهنی نگه داشته شده اند، مطالعه شده است. طرح های پراش الکترونی ساختار شش ضلعی گرافین را نشان داده اند. علاوه بر این، گرافین از خود اعوجاج هایی را بر روی این ورقه های تخت نشان داده اند، با دامنه ای در حدود یک نانومتر. این اعوجاج ها ممکن است خصلت ذاتی ای برای گرافین به خاطر ناپایداری کریستال های دو بعدی باشد، و یا حتی ممکن است در اثر عوامل خارجی ای ناشی از ناخالصی هایی که در سرتاسر گرافین وجود دارند و کاملا به توسط تصاویر TEM تهیه شده از گرافین مشاهده شده اند، به وجود آمده باشند. تصاویر فضای حقیقی با دقت اتمی گرفته شده از تک لایه ی مجزای گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایه ی SiO2 به وسیله ی روش میکروسکوپی تونل زنی اسکن کننده (Scanning Tunneling Microscopy) تهیه شده اند. این تصاویر نشان دادند که اعوجاج های تک لایه ی گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایه ی SiO2 به خاطر ترکیب و تطبیق یافتن تک لایه ی گرافین با زیر لایه ی SiO2 ایجاد شده اند و یک خصلت ذاتی برای آن نمی باشند.

 • خواص الکترونیکی

گرافین با سایر مواد متداول سه بعدی متفاوت است. گرافین طبیعی یک نیمه فلز یا یک نیمه رسانا با گاف نواری صفر است. درک ساختار الکترونیکی گرافین اولین قدم برای یافتن ساختار نواری گرافیت است. اولین بار خیلی قبل تر در سال 1947 P. R. Wallace متوجه خطی بودن رابطه ی E-k (انرژی و عدد موج کریستال) در نزدیکی شش گوشه ی منظقه ی بریلوئن شش ضلعی دوبعدی گرافین برای انرژی های پایین ـ که منجر به جرم مؤثر صفر برای الکترون ها و حفره ها می شود ـ شد. به خاطر این رابطه ی پاشندگی خطی در انرژی های پایین، الکترون ها و حفره ها در نزدیکی این شش نقطه، که دو تا از آن ها غیر یکسان هستند، همانند ذرات نسبیتی ای که با معادله ی دیراک برای ذرات با اسپین نیم صحیح توصیف می شوند، رفتار می کنند. به همین خاطر به به این الکترون ها و حفره ها فرمیون های دیراک و به آن شش نقطه، نقاط دیراک گفته می شود. معادله ای بیان گر رابطه ی E-k ، می باشد که در آن سرعت فرمی vF ~ 106 m/s است.

 • ترابرد الکترونی

نتایج تجربی از اندازه گیری های ترابرد الکترونی نشان می دهند که گرافین دارای تحرک پذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق می باشد، با مقادیر گزارش شده ای بالاتر از 15,000 cm2V−1s−1 . همچنین تقارن اندازه گیری های تجربی رسانندگی نشان می دهد که تحرک پذیری برای الکترون ها و حفره ها باید یکسان باشد. در بازه ی دمایی بین 10k تا 100k، تحرک پذیری تقریبا به دما وابسته نیست، که بیان کننده ی این امر است که مکانیزم قالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی به توسط فونون های آکوستیک گرافین موجب یک محدودیت ذاتی بر تحرک پذیری در دمای اتاق در حد 200,000 cm2V−1s−1 برای چگالی حامل 1012 cm−2 می شود. مقاومت متناظر ورقه های گرافین در حد 6-10 Ω•cm خواهد بود. این مقاومت از مقاومت نقره، ماده ی شناخته شده به عنوان دارنده ی کمترین مقاومت در دمای اتاق، کمتر است. گرچند برای گرافین قرار گرفته بر روی زیر لایه ی SiO2، پراکندگی ناشی از فونون های اپتیکی زیر لایه در دمای اتاق اثر بزرگ تری است از اثر پراکندگی ناشی از فونون های خود گرافین. این امر تحرک پذیری را به میزان 40,000 cm2 V−1s−1 محدود می کند.

 • خواص اپتیکی

خواص اپتیکی منحصر به فرد گرافین، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تک لایه ی اتمی با یک مقدار ساده ی شگفت انگیز شده است، یک تک لایه ی گرافین πα ≈ 2.3% از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب می کند که در آن α ثابت ساختار ریز شبکه می باشد. این امر نتیجه ی ساختار الکترونیکی کم انرژی غیر معمول گرافین تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره ای گرافین می دهد تا آن ها در نقاط دیراک به هم برسند، که به طور کیفی از سایر نوارهای انرژی فشرده ی مرتبه ی دو معمول متفاوت است. بر مبنای مدل از ساختار نواری گرافین، فواصل بین اتمی، مقادیر پرش، و فرکانس به هنگام محاسبه ی رسانندگی اپتیکی با استفاده از معادلات فرنل در حد لایه های نازک از بین می رود. این امر به صورت تجربی تأیید شده ولی هنوز مقادیر اندازه گیری شده به اندازه ی کافی برای محاسبه ی ثابت ساختار ریز دقیق نبوده است. می توان گاف نوار انرژی گرافین را از 0 تا 0.25 eV (در حدود طول موج پنج میکرومتر) به وسیله ی اعمال ولتاژ در دمای اتاق به یک ترانزیستور اثر میدان دو دروازه ای ساخته شده از یک گرافین دو لایه ای، تنظیم نمود. همچنین نشان داده شده است که پاسخ اپتیکی نانو نوارهای گرافینی نیز در ناحیه ی تراهرتز به وسیله ی اعمال یک میدان مغناطیسی قابل تنظیم است. علاوه بر این نشان داده شده است که سیستم های گرافین ـ گرافین اکسید از خود رفتار الکتروکرومیک بروز می دهند، که اجازه می دهند هم خواص اپتیکی خطی و هم خواص اپتیکی فوق سریع را تنظیم کرد[۱۶].

 روشهای ساخت گرافن:

امروزه روش‌های بسیار متنوعی برای ساخت گرافن بکار برده می‌شود که از متداول‌ترین آنها می‌توان به روش‌های لایه برداری مکانیکی، لایه برداری شیمیایی، سنتزشیمیایی و رسوب بخار شیمیایی (CVD) را نام برد. برخی روش‌های دیگری همانند شکافتن نانو لوله‌های کربنی[8]و ساخت باامواج ماکرویو[9]نیز اخیرا بکاربرده شده‌اند. یک نمای کلی از روش‌های ساخت گرافن در زیر آمده است:

 روش های ساخت گرافن :

از پایین به بالا

1. رشد برآیایی

2. شکافت گرمایی

3. CVD [10]

4. پلاسما

5. گرمایی

  از بالا به پایین

1. لایه برداری مکانیکی[۱۱]

2. چسب نواری

3. Atomic Force Microscopy Tips

4. لایه برداری شیمیایی[۱۲]

5. سنتز شیمیایی[۱۳]

6. با امواج فرا صوتی

7. روش شیمیایی

 در سال 1975گروه Lang برای اولین بار گرافیت کم لایه بر روی سطح بلور پلاتین را با استفاده از روش CVD تولید کردند[۱۴]. در سال 1999 گروه Lu با استفاده از AFM ،لایه برداری مکانیکی را بر روی یک گرافیت پیرولیتی به منظور تهیه گرافین تک لایه انجام دادند[۱۵]. با این وجود، گرافین تک لایه برای اولین بار در سال2004 توسط گروه Novoselov تولید و گزارش شد. آن‌ها از چسب نواری برای جدا کردن لایه‌های گرافین از سطح زیرلایه استفاده کردند. این روش توانایی و قابلیت تولید لایه‌های متنوع گرافین را دارد و علاوه بر آن، آسان نیز است. روش لایه برداری مکانیکی توسط قابلیت تولید لایه‌های گرافیتی کم لایه و چند لایه را دارد اما ضخامت گرافیت بدست آمده توسط این روش برابر با 10 نانو متر است که تقریبا برابر با 30 لایه گرافن تک لایه است. در روش لایه برداری شمیایی فلزات قلیایی بین صفحات گرافیت پراکنده شده در محلول، قرار می‌گیرند. به طور مشابه روش سنتز شیمیایی شامل اکسید گرافیت پراکنده در محلول ناشی شده از کاهش هیدروزین است. همانند تولید نانو لوله‌های‌کربنی توسط روش CTCVD ، تولید گرافین توسط این روش یکی از بهترین روش‌ها برای تولید گرافین در ابعاد بزرگ است. در این روش کربنی که بوسیله گرما جدا شده بر روی سطح یک فلز فعال قرار می‌گیرد و در دمای بالا و تحت فشار اتمسفر یا فشار کم، یک شبکه لانه زنبوری تشکیل می‌دهد. از آنجایی که این روش CVD در یک کوره گرمایی انجام می‌گیرد آن را روش CVD گرمایی می‌نامند. هنگامی که روش شامل رشد به کمک پلاسما باشد، روش CVD پلاسمای غنی شده نامیده می‌شود. هریک از این روش‌ها مزایا و معایب خاص خود را دارند، به عنوان مثال روش لایه برداری مکانیکی توانایی و قابلیت ساخت گرافن یک لایه تا چند لایه را دارد اما همانندی نمونه های بدست آمده بسیار پایین است، همچنین ساخت گرافن در ابعاد بزرگ یکی از چالش‌های پیش روی این روش است. برای تهیه گرافن تک لایه و چند لایه می‌توان از روش چسب نواری استفاده کرد اما تحقیقات گسترده‌ی بیشتری برای توسعه این روش جهت استفاده در قطعه‌های الکترواپتیکی لازم است. روش‌های سنتز شیمیایی از روش‌های دمای پایین هستندکه این ویژگی موجب می‌شود ساخت گرافن بر روی انواع زیر لایه‌های با دمای محیط، به ویژه زیرلایه‌های پلیمری آسان‌تر شود، با این حال، همگنی و یکسانی گرافن تولید شده در ابعاد بزرگ، حاصل از این روش مطلوب نیست. از سوی دیگر ساخت گرافن از اکسیدهای گرافن کاهش یافته اغلب به علت نقص در فرایند کاهش موجب ناکاملی درخواص الکترونی گرافن می‌شود. برآرایی گرافن وگرافیت سازی گرمایی بر روی سطح کربید سیلسیوم از دیگر روش‌های تولید گرافن هستند اما دمای بالای این فرایندها و عدم توانایی انتقال بر روی سایر زیر لایه‌ها از محدودیت‌های این روش‌ها هستند.

کی از شرکت‌های انگلیسی فعال در حوزه گرافن از سوی انجمن تحقیقات علوم فیزیک و مهندسی، برای کار روی استفاده از گرافن در پزشکی به یک پروژه 5 ساله دعوت شده‌است. پروژه‌ای که با صرف 5.2 میلیون پوند به دنبال حل چالش‌های بخش سلامت توسط گرافن است. شرکت تودیتک (2-DTech) از شرکت‌های اقماری ورسارین (Versarien)، اخیرا از سوی AIM برای همکاری در یک پروژه 5.2 میلیون پوندی دعوت شده‌است. در این پروژه، روی بهبود کاربردهای گرافن در بخش پزشکی کار خواهد شد.

این پروژه 5 ساله، توسط انجمن تحقیقات علوم فیزیک و مهندسی حمایت مالی شده‌است تا مشخص شود که چگونه گرافن می‌تواند برای حل چالش‌های بخش سلامت نظیر سرطان، فائق آید.

این پروژه با عنوان «2D Materials for Next Generation Healthcare Technologies » تعریف شده که در آن خواص و ویژگی‌های گرافن برای استفاده در کلینیک‌ها مورد بررسی قرار می‌گیرد. درمان زخم‌ها، بازیابی بافت‌ها و مدیریت زخم‌ها از طریق تحریک الکتریکی، درمان سلولی و ایمنی‌درمانی از جمله موارد مورد بررسی در این پروژه است.

شرکت تودیتک از دانشگاه منچستر منشعب شده‌است. این شرکت توسط آزمایشگاه‌های فیزیک، شیمی، داروسازی و پزشکی دانشگاه منچستر مورد حمایت قرار گرفته است. این شرکت در چهار پروژه بین‌المللی در بخش سلامت شرکت کرده است.

این پروژه یکی از چهار پروژه تحقیقاتی است که توسط برنامه EPSRC مورد حمایت قرار گرفته است تا روی توسعه فناوری‌های مورد استفاده در بخش سلامت کار شود. افزایش جمعیت افراد کهنسال، نیاز به ارائه فناوری‌های درمانی جدید را افزایش می‌دهد.

نیل ریکت از مدیران ورسارین می‌گوید که استفاده از گرافن در بخش زیست‌پزشکی در مراحل اولیه رشد خود قرار دارد. او معتقد است که این ماده می‌تواند تاثیر شگرفی روی تغییر محصولات داشته باشد.

ریکت می‌گوید: « این پروژه یک مثال بارز از همکاری نزدیک ما با دانشگاه منچستر است که حمایت مالی آن توسط EPSRC انجام شده‌است. تامین بودجه این پروژه توسط این سازمان نشان دهنده اهمیت گرافن برای EPSRC است. در حالی که ما روی هسته این فناوری تاکید داریم و به دنبال استفاده از گرافن و الیاف کربنی هستیم، بهره‌گیری از مزایای این مواد و فرصت‌های درازمدت آن از جمله اهداف ما است.»

 گرافن در خدمت ادغام الکترونیک و فناور‌ی‌ نانو 

محققان از گرافن برای حل یکی از چالش‌های صنعت الکترونیک استفاده کردند. آنها از گرافن برای ساخت قطعات الکترونیکی مولکولی استفاده کرده و مانع از ایجاد مدار کوتاه در این قطعات شدند.

محققان دانمارکی مرکز علم نانو در دانشگاه کپنهاگ با استفاده از گرافن موفق به ساخت قطعه‌ الکترونیکی مولکولی شدند. کاسپر نارگارد نانوشیمیست این پروژه می‌گوید: «با استفاده از پردازش فیزیکی و شیمیایی، ما موفق به تولید قطعات بزرگ گرافنی شدیم و از این تکه‌های بزرگ گرافنی برای تولید قطعات الکترونیکی مبتنی بر مولکول استفاده کردیم.»

طی 10 سال گذشته همیشه از فناوری‌نانو به عنوان یک فناوری انقلابی در حوزه کامپیوتر نام برده شده است. الکترونیک مولکولی یکی از حوزه‌هایی است فناوری‌نانو می‌تواند در آن نقش آفرینی کند. در این حوزه، قطعات کوچک مولکولی جایگزین قطعات فعلی شده و در نهایت پردازشگر و حافظه‌های جدیدی تولید می‌شود. اما این کار از آنچه پیشتر تصور می‌شد دشوارتر بود زیرا با برخورد مولکول با الکترود مدار کوتاه شکل می‌گیرد و نمی‌توان مداری مناسب برای کار تولید کرد. محققان معتقداند که گرافن چاره کار است.

کاسپر نارگارد می‌افزاید: « ما اکنون می‌توانیم از گرافن برای ممانعت از تشکیل مدار کوتاه استفاده کنیم. در واقع گرافن میان مولکول‌ها قرار گرفته و مانع از تماس آنها با هم می‌شود. با این کار می‌توان از گرافن برای توسعه الکترونیک مبتنی بر مولکول استفاده کرد.»

این گروه تحقیقاتی به دنبال استفاده از مولکول‌های مختلف برای استفاده در قطعات الکترونیکی است، مولکول‌هایی که بتوانند بین حالت رسانا و نارسانا سوئیچ کنند. این پروژه می‌تواند مسیر ساخت نمایشگرها و کامپیوترهای بسیار نازک را هموار کند.

 چگونگی تبدیل نور به جریان الکتریسیته توسط گرافن

آزمایش‌های اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه ‏IBM‏ در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک ‏‏در خواص گرافن نقش دارند. ‏

گرافن با قرار گرفتن در معرض نور، رفتاری متفاوت نسبت به نیمه‌رساناهای مرسوم از ‏خود نشان می‌دهد، با این حال محققان کماکان در مورد مکانیزم دقیق پاسخ‌دهی غیرمعمول ‏این ماده به نور به قطعیت نرسیده‌اند. آزمایش‌های اندازه‌گیری قابلیت هدایت نور بر روی ‏ترانزیستورهای گرافنی که توسط گروه ‏IBM‏ در ایالات متحده آمریکا انجام شد، مشخص ‏کرد که اثرات فوتوولتائیک و بولومتریک (اثر تغییر مقاومت اجسام با دما) در خواص گرافن ‏نقش دارند. نتایج به دست آمده برای ساخت نسل جدید شناساگرهای نوری فوق‌سریع و پر ‏بازده از این ماده بسیار مفید خواهد بود. ‏

شناساگرهای نوری به طور معمول در کاربردهایی از قبیل ارتباطات، حسگرها و ‏تصویربرداری استفاده می‌شوند. اکثر شناساگرهای نوری از نیمه‌رساناهای نوع ‏III-V‏ مانند ‏گالیوم آرسنید ساخته می‌شوند. عملکرد آنها از طریق جذب فوتون‌ها و تولید جفتِ الکترون ‏‏- حفره است که پس از آن از هم جدا شده و جریان الکتریسیته را تولید می‌کنند.

‏تا به امروز، دانشمندان عقیده داشتند که گرافن، نور را تحت پنج مکانیزم متفاوت جذب ‏می‌کند: از طریق اثرات فوتوولتائیک، ترموالکتریک و یا بولومتریک و دفع نور توسط ‏اکسیژن و یا تقویت فوتوترانزیستورها. یک گروه به رهبری فائدون آووریس از ‏IBM، این اثرات را با جزئیات کامل در آزمایشات هدایت‌سنجی نوری در ترانزیستورهای اثر میدانی ‏‏(‏FET‏) گرافنی بررسی کرده‌اند. ‏

محققان ‏IBM‏ نتایج خود را با تحریک ‏FET‏ با اشعه متمرکز مادون قرمز لیزر و پس از آن ‏اندازه‌گیری فوتوجریان با استفاده از تکنیک ‏lock-in‏ به دست آوردند. این آزمایش برخلاف ‏آزمایش‌های پیشین که بر روی گرافن‌های نوع ‏p-n‏ صورت گرفته بود، بر روی گرافن‌های ‏یکنواخت انجام شد که اندازه‌گیری پاسخ ذاتی مواد کربنی به نور را میسر می‌سازد. ‏

وقتی گرافن نور را جذب می‌کند، جفتِ الکترون- حفره، تحریک شده و متقابلا به ‏سرعت بر الکترون‌ها و حفره‌های دیگر اثر می‌گذارد. فریتگ توضیح می‌دهد که این ‏فعل و انفعالات دمای کلی الکترون‌ها را افزایش می‌دهد، اما الکترون‌ها گرمای خود را حفظ ‏می‌کنند زیرا به شکل ضعیفی به شبکه کربن جفت شده‌اند و بدین ترتیب به آرامی گرمای ‏خود را به شبکه منتقل می‌کنند. ‏

فریتگ افزود: «این حامل‌های گرم هستند که جریان فوتوولتائیک را در گرافن تولید می‏‌کنند. زمانی که دمای شبکه افزایش می‌یابد باعث تغییر حرکت الکترون شده و جریان ‏بولومتریک را در جهت معکوس تولید می‌کند. در چگالی‌های کم بار، اثر فوتوولتائیک و در ‏سطوح بیشتر الکترون، اثر بولومتریک نسبت به دیگر پدیده‌ها برتری دارند. همچنین می‌توان ‏با تغییر در چگالی الکترون در ‏FET‏ گرافنی با استفاده از ولتاژ ‏Back gate، این دو مکانیزم ‏پاسخ‌دهی را با یکدیگر تعویض کرد.»

آگاهی از چگونگی تولید جریان از نور در گرافن برای بهبود بازده شناساگرهای نوری ‏ساخته شده از این ماده امری ضروری خواهد بود. به عنوان مثال، تغییر دی‌الکتریکی که ‏ترانزیستور گرافنی بر روی آن نصب شده است جفت‌شوندگی الکترون- فونون را تغییر ‏خواهد داد و این تغییرات متعاقبا بر برتری اثرات بولومتریک و فوتوولتائیک تاثیر خواهد ‏گذاشت. ‏