Grafena
Grafena merupakan alotrop karbon yang berbentuk lembaran datar tipis dimana setiap atom karbon memiliki ikatan sp2 dan dikemas rapat dalam bentuk kisi kristal seperti sarang lebah. Ia dapat dilihat sebagai sebuah jaring-jaring berskala atom yang terdiri dari atom karbon beserta ikatannya. Nama grafena berasal dari GRAPHITE +-ENE; grafit sendiri terdiri dari banyak lembaran
grafena yang ditumpuk secara bersama. Pada tahun 2010 Andre Geim dan Konstantin Novoselov mendapat hadiah Nobel di bidang kimia karena karyanya dalam mengembangkan grafena 2 dimensi.
Ikatan karbon-karbon pada grafena adalah sekitar 0.142nm. Grafena merupakan unsur struktur dasar dari alotrop karbon, meliputi grafit, tabung nano karbon, dan fulerena. Grafena juga dapat dianggap sebagai molekul aromatik yang sangat besar, yang merupakan kelompok senyawa hidrokarbon polisiklik aromatik datar.
Pada tahun 2004 kelompok riset dari Universitas Manchester yang dipimpin oleh Andre K. Geim dan Kostya Novoselov menemukan suatu bahan semikonduktor yang disebut "Graphene". Bahan yang merupakan alotrop karbon ini mempunyai ketebalan hanya satu atom saja, yaitu karbon yang disusun menyamping pada kisi yang menyerupai sarang lebah dan diperkirakan sebagai bahan semikonduktor tertipis di
Dunia. Lapisan tunggal dari grafit sebelumnya (sekitar tahun 1970an) ditumbuhkan secara epitaksial di atas material-material lainnya dan biasa di sebut "grafena epitaksial". Grafena epitaksial ini mengandung lapisan setebal satu atom berbentuk heksagonal dengan ikatan sp2 antar atom karbonnya. Pada proses penumbuhan kristal grafena ini terjadi transfer muatan dari substrat ke grafena epitaksial,
dan dalam beberapa kasus terjadi hibridisasi orbital d dari atom substrat dengan orbital pi dari grafena, yang secara signifikan mengubah struktur elektronik grafena.
Grafena yang sempurna secara eksklusif terdiri dari sel-sel yang berbentuk heksagonal; sel berbentuk segi lima dan segi tujuh merupakan sel yang cacat. Jika terdapat sel bersegi lima yang terisolasi, maka bidang akan mengkerut menjadi berbentuk kerucut; penyisipan 12 segi lima akan membentuk fulerena. Demikian pula, penyisipan sel segi tujuh yang
terisolasi menyebabkan lembaran menjadi berbentuk pelana. Penambahan yang terkontrol dari segi lima dan segi tujuh memungkinkan terbentuknya berbagai bentuk komplek, misalnya carbon nanobud. Tabung nano karbon berdinding tunggal dapat dianggap sebagai silinder grafena; yang sebagian kecil memiliki tutup berbentuk setengah bola (yang melibatkan 6 segi lima) di setiap ujungnya.
Telah diperhitungkan bahwa fragmen-fragmen kecil lembaran grafena dihasilkan (bersamaan dengan serpihan lainnya) ketika grafit dikikis, misalnya ketika menggambar garis dengan pensil. Namun, fisikawan dari Universitas Manchester dan Institute for Microelectronics Technology, Chernogolovka, Russia yang pertama kali mengisolasi dan mempelajari grafena (daripada hidrokarbon aromatik polisiklik) pada tahun 2004. Selain itu pada publikasi dalam jurnal ilmiah Science, mereka juga mendefinisikan grafena sebagai:
Graphene is the name given to a single layer of carbon atoms densely packed into a benzene-ring structure, and is widely used to describe properties of many carbon-based materials, including graphite, large fullerenes, nanotubes, etc. (e.g., carbon nanotubes are usually thought of as graphene sheets rolled up into nanometer-sized cylinder (geometry) cylinders). Planar graphene itself has been presumed not to exist in the free state, being unstable with respect to the formation of curved structures such as soot, fullerenes, and nanotubes.
Grafena sampai saat ini merupakan bahan paling mahal di Bumi, dengan sebuah sampel yang dapat diletakkan di potongan rambut manusia memakan biaya lebih dari $1000 (April 2008). Harga grafena dapat menurun secara dramatis apabila metode produksi komersial dikembangkan pada masa depan.
Metode ini pada prinsipnya menggunakan suatu substrat sebagai bibit pertumbuhan grafena. Hal ini dikenal sebagai pertumbuhan epitaksial. Metode ini mempunyai kelemahan diantaranya tidak menghasilkan lembaran-lembaran grafena dengan ketebalan yang seragam. Selain itu ikatan antara lembaran grafena bagian bawah dengan substrat dapat memengaruhi sifat-sifat lapisan karbon.
Sintesis grafena dapat juga dilakukan dengan metode reduksi silikon karbida, yaitu dengan cara memanaskan silikon karbida pada temperatur tinggi (1100 °C) untuk mereduksinya menjadi grafena. Proses ini menghasilkan sampel berukuran kecil yang tidak memungkinkannya digunakan pada teknik fabrikasi kebanyakan aplikasi elektronik.
Para peneliti telah mengembangkan suatu metode meletakkan kertas grafena oksida dalam larutan hidrazin murni (suatu senyawa kimia yang mengandung nitrogen dan hidrogen) yang akan mereduksi kertas grafit oksida menjadi grafena berlapis tunggal.
Publikasi baru-baru ini telah menjelaskan proses sintesis grafena dalam jumlah gram, yaitu dengan mereduksi etanol oleh logam natrium, diikuti dengan pirolisis produk etoksida, kemudian mencucinya dengan air untuk menghilangkan garam-garam natrium.
Struktur atom grafena berlapis tunggal dikaji dengan menggunakan mikroskop elektron transmisi (Bahasa Inggris: Transmission electron microscope) dengan lembar grafena disuspensi di antara kisi logam. Pola=pola difraksi elektron menunjukkan kisi heksagonal grafena, seperti yang diharapkan. Grafena yang tersuspensi juga menunjukkan adanya "riakan" (rippling) pada lembaran datar grefena tersebut, dengan amplitudi
sekitar satu nanometer. Secara intrinsik, riakan ini diakibatkan oleh ketidakstabilan kristal dua dimensi, ataupun secara ekstrinsik berasal dari kotoran yang terlihat pada gambar TEM grafena. Gambar beresolusi atom dalam ruang nyata dari grafena berlapis tunggal pada substrat silikon dioksida didapatkan dengan menggunakan mikroskop penerowongan payaran (scanning tunneling microscope). Grafena yang
diproses menggunakan teknik litografi diselimuti oleh residu fotoresistor, yang harus dibersihkan untuk mendapatkan gambar beresolusi atomik. Residu tersebut kemungkinan merupakan "adsorbat" yang terpantau pada gambar TEM, dan dapat menjelaskan riakan yang terpantau pada grafena. Riakan grafena pada permukaan silikon dioksida ditentukan oleh konformasil grafena terhadap silikon dioksida, dan bukan merupakan efek intrinsik.
Grafena sangat berbeda dari kebanyakan bahan tiga dimensi konvensional. Secara intrinsik, grafena merupakan semilogam atau semikonduktor bersela energi nol. Hubungan E-k grafena adalah linear untuk energi rendah yang berada dekat dengan enam sudut zona Brilloiun heksagonal dua dimensi, mengakibatkan massa efektif elektron dan lubang heksagonalnya nol. Oleh karena hubungan "dispersi"
relatif linear ini pada energi rendah, elektron dan lubang yang dekat enam titik ini memiliki sifat-sifat partikel relativistik yang dijelaskan oleh persamaan Dirac untuk partikel dengan spin 1/2. Oleh karena itu, elektron dan lubang heksagonalnya disebut fermion Dirac, dan enam sudut dari zona Brillouin disebut titik Dirac. Persamaan yang menjelaskan hubungan E-k adalah E =  v F k x
2 + k y 2 displaystyle E=hbar v_Fsqrt k_x2+k_y2; dimana v f displaystyle v_f adalah kecepatan Fermi yang nilainya sekitar 10 6 m/s displaystyle 106mathrm m/mathrm s
Sifat-sifat elektronik grafena yang unik menyebabkannya memiliki opasitas yang tinggi untuk sebuah bahan ekalapis atomik. Ia menyerap   2.3% cahaya putih, dengan  adalah tetapan struktur halus.. Hal ini telah dikonfirmasikan secara eksperimen, tetapi pengukurannya tidak cukup akurat untuk mengizinkan kemajuan yang berarti pada teknik penentuan tetapan struktur halus lainnya.
Grafena merupakan bahan yang paling kuat yang diketahui oleh manusia menurut penelitian yang dikeluarkan oleh Universitas Columbia pada Augustus 2008. Namun, proses pemisahan grafena dari grafit masih memerlukan pengembangan teknologi lainnya sebelum ia cukup ekonomis untuk digunakan pada proses industri.