กราฟีน
กราฟีนเป็นโครงสร้างรังผึ้งระดับอะตอม ที่ประกอบด้วยอะตอม ของ คาร์บอน
ประเภทวัสดุ	อัลโลโทรปของคาร์บอน
คุณสมบัติทางเคมี
สูตรเคมี	ซี
คุณสมบัติทางกล
โมดูลัสของยัง( E )	≈1 TPa
ความ แข็งแรงดึง( σt )	130 จีพีเอ
คุณสมบัติทางความร้อน
ค่าการนำความร้อน( k )	5300 W⋅m −1 ⋅K −1

กราฟีน ( / ˈ ɡ r æ f iː n / ) ^{[ 1 ]} เป็น ธาตุคาร์บอน ชนิดหนึ่ง ซึ่งเกิดขึ้นตามธรรมชาติในปริมาณเล็กน้อย ในกราฟีน คาร์บอนจะก่อตัวเป็นแผ่นของอะตอม ที่เชื่อมต่อกัน เป็นรูปหกเหลี่ยมที่มีความหนาหนึ่งอะตอมคาร์บอน ผลลัพธ์ที่ได้จะมีลักษณะคล้ายกับหน้าของรังผึ้งเมื่อกราฟีนหลายร้อยชั้นก่อตัวขึ้น จะเรียกว่ากราไฟต์

ในทางเทคนิค กราฟีนเป็นอัลโลโทรปของคาร์บอนที่ประกอบด้วยอะตอมชั้นเดียว เรียงตัวเป็น โครงสร้างนาโนแบบระนาบคล้ายรังผึ้ง^{[ 2 ] [ 3 ]}ชื่อ "กราฟีน" มาจาก " กราไฟต์ " และคำต่อท้าย -eneซึ่งบ่งบอกถึงการมีพันธะคู่ภายในโครงสร้างคาร์บอน

กราฟีนเป็นที่รู้จักกันดีในเรื่องความแข็งแรงดึงสูงเป็นพิเศษการนำไฟฟ้าความโปร่งใสและเป็นวัสดุสองมิติที่บางที่สุดในโลก^{[ 4 ]}แม้ว่าแผ่นกราฟีนแผ่นเดียวจะมีลักษณะเกือบโปร่งใส แต่กราไฟต์ (ซึ่งเกิดจากการเรียงซ้อนกันของกราฟีน) กลับมีสีดำเนื่องจากดูดซับคลื่นแสงที่มองเห็นได้ทั้งหมด^{[ 5 ] [ 6 ]}ในระดับจุลภาค กราฟีนเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่เคยมีการวัดมา^{[ 7 ] [ 8 ]}

การมีอยู่ของกราฟีนได้รับการตั้งทฤษฎีขึ้นครั้งแรกในปี 1947 โดยPhilip R. Wallaceในระหว่างการวิจัยเกี่ยวกับคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟต์ ในขณะที่คำว่ากราฟีนได้รับการกำหนดขึ้นครั้งแรกโดยHanns-Peter Boehmในปี 1987 เมื่อเขาและเพื่อนร่วมงานแยกแผ่นเดี่ยวออกจากกราไฟต์^{[ 9 ]}ในปี 2004 วัสดุนี้ได้รับการแยกและระบุลักษณะโดยAndre GeimและKonstantin Novoselovที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์^{[ 10 ] [ 11 ]}โดยใช้กราไฟต์ชิ้นหนึ่งและเทปกาว^{[ 12 ]}ในปี 2010 Geim และ Novoselov ได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์สำหรับ "การทดลองที่ก้าวล้ำเกี่ยวกับวัสดุสองมิติกราฟีน" ^{[ 13 ]} ในขณะที่กราฟีนจำนวนเล็กน้อยสามารถผลิตได้ง่ายโดยใช้วิธีการที่แยกออกมาในตอนแรก ความพยายามที่จะขยายขนาดและทำให้กระบวนการผลิตเป็นไปโดยอัตโนมัติสำหรับการผลิตจำนวนมากประสบความสำเร็จอย่างจำกัดเนื่องจากความกังวลเกี่ยวกับความคุ้มค่าและคุณภาพการควบคุม^{[ 14 ] [ 15 ]}ตลาดกราฟีนทั่วโลกมีมูลค่า 9 ล้านดอลลาร์สหรัฐในปี 2555 ^{[ 16 ]}โดยความต้องการส่วนใหญ่มาจากการวิจัยและพัฒนาในด้านเซมิคอนดักเตอร์อิเล็กทรอนิกส์แบตเตอรี่ไฟฟ้า^{[ 17 ]}และ วัสดุ คอม โพสิต

IUPAC (สหภาพเคมีบริสุทธิ์และประยุกต์ระหว่างประเทศ) แนะนำให้ใช้คำว่า "กราไฟต์" สำหรับวัสดุสามมิติ และสงวนคำว่า "กราฟีน" ไว้สำหรับการอภิปรายเกี่ยวกับคุณสมบัติหรือปฏิกิริยาของชั้นอะตอมเดี่ยว[ ^{18 ] คำ}จำกัดความที่แคบกว่าของ "กราฟีนที่แยกเดี่ยวหรือตั้งอิสระ" กำหนดให้ชั้นนั้นต้องแยกออกจากสภาพแวดล้อมอย่างเพียงพอ^{[ 19 ]}แต่จะรวมถึงชั้นที่แขวนลอยหรือถ่ายโอนไปยังซิลิคอนไดออกไซด์หรือซิลิคอนคาร์ไบด์ด้วย^{[ 20 ]}

ในปี พ.ศ. 2492 เบนจามิน โบรดีสังเกตเห็น โครงสร้าง แบบแผ่น บางมาก ของกราไฟต์ออกไซด์ที่ ลดลงด้วยความร้อน ^{[ 21 ] [ 22 ]}นักวิจัยใช้การวิเคราะห์ผลึกด้วยรังสีเอกซ์เพื่อพยายามกำหนดโครงสร้างของกราไฟต์ การขาดแคลน ตัวอย่างกราไฟต์ ผลึกเดี่ยว ขนาดใหญ่ ทำให้เกิดการพัฒนาการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบผง ขึ้นเองโดยอิสระ โดยปีเตอร์ เดบายและพอล เชอร์เรอร์ในปี พ.ศ. 2458 และอัลเบิร์ต ฮัลล์ในปี พ.ศ. 2459 ^{[ 23 ] [ 24 ] [ 25 ]}อย่างไรก็ตาม โครงสร้างที่เสนอโดยพวกเขาทั้งสองไม่ถูกต้อง ในปี พ.ศ. 2461 โวลค์มาร์ โคห์ลชุตเตอร์และพี. ฮาเอนนีได้อธิบายคุณสมบัติของกระดาษกราไฟต์ออกไซด์ [ ^{26 ] โครงสร้าง}ของกราไฟต์ได้รับการกำหนดอย่างสำเร็จจากวิธีการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์แบบผลึกเดี่ยวโดยเจดี เบอร์นัลในปี พ.ศ. 2467 ^{[ 27 ]}ในขณะที่งานวิจัยต่อมาได้ปรับพารามิเตอร์ของเซลล์หน่วย^{[ 28 ] [ 29 ]}

ทฤษฎีกราฟีนได้รับการสำรวจครั้งแรกโดยPR Wallaceในปี 1947 เพื่อเป็นจุดเริ่มต้นในการทำความเข้าใจคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราไฟต์ 3 มิติ สมการ Dirac ที่ไม่มีมวลที่เกิดขึ้นใหม่ได้^{รับการชี้ให้เห็นแยกต่างหากในปี 1984 โดย Gordon Walter Semenoff [} 30 ] และโดย^{David P.} Vincenzo และ Eugene J. Mele ^{[ 31 ]} Semenoff เน้นย้ำถึงการเกิดขึ้นของ ระดับ Landau ทางอิเล็กทรอนิกส์ในสนามแม่เหล็กที่จุด Dirac อย่างแม่นยำ ระดับนี้เป็นสาเหตุของ ปรากฏการณ์Quantum Hallที่ผิดปกติ^{[ 32 ] [ 33 ] [ 34 ]}

ภาพ กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ของ ตัวอย่าง กราไฟต์ บางๆ ที่ประกอบด้วยชั้นกราฟีนเพียงไม่กี่ชั้นได้รับการตีพิมพ์โดย G. Ruess และ F. Vogt ในปี พ.ศ. 2491 ^{[ 35 ]}ในที่สุดก็สามารถสังเกตชั้นเดียวได้โดยตรง^{[ 36 ]}นอกจากนี้ยังสามารถสังเกตชั้นเดียวของกราไฟต์ได้ด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านภายในวัสดุจำนวนมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งภายในเขม่าที่ได้จากการลอกชั้น ด้วยสาร เคมี^{[ 37 ]}

ตั้งแต่ปี 1961 ถึง 1962 Hanns-Peter Boehmได้ตีพิมพ์งานวิจัยเกี่ยวกับเกล็ดกราไฟต์ที่บางมาก^{[ 38 ]}งานวิจัยนี้วัดเกล็ดที่มีขนาดเล็กถึง ~0.4 นาโนเมตรซึ่งเทียบเท่ากับชั้นอะตอมของคาร์บอนอสัณฐานประมาณ 3 ชั้น นี่คือความละเอียดที่ดีที่สุดเท่าที่จะเป็นไปได้สำหรับ TEM ในช่วงทศวรรษ 1960 อย่างไรก็ตาม เป็นไปไม่ได้ที่จะแยกแยะความแตกต่างระหว่างกราฟีนชั้นเดียวและหลายชั้นที่แขวนลอยโดยใช้ความแตกต่างของ TEM และวิธีเดียวที่ทราบคือการวิเคราะห์ความเข้มสัมพัทธ์ของจุดการเลี้ยวเบนต่างๆ^{[ 36 ]}การสังเกต TEM ที่เชื่อถือได้ครั้งแรกของชั้นเดียวอาจมาจากเอกสารอ้างอิง 24 และ 26 ของบทวิจารณ์ของ Geim และ Novoselov ในปี 2007 ^{[ 2 ]}

ในปี พ.ศ. 2518 van Bommel และคณะได้ทำการปลูกกราไฟต์ชั้นเดียวบนซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียล^{[ 39 ]}นักวิจัยคนอื่นๆ ได้ทำการปลูกอะตอมคาร์บอนชั้นเดียวบนวัสดุอื่นๆ^{[ 40 ] [ 41 ]} "กราฟีนแบบเอพิแท็กเซียล" นี้ประกอบด้วยโครงตาข่ายหกเหลี่ยมที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียวของอะตอมคาร์บอนที่เชื่อมต่อด้วยพันธะ sp ²เช่นเดียวกับกราฟีนแบบอิสระ อย่างไรก็ตาม มีการถ่ายโอนประจุอย่างมีนัยสำคัญระหว่างวัสดุทั้งสอง และในบางกรณี มีการผสมกันระหว่างออร์บิทัล dของอะตอมพื้นผิวและออร์บิทัล π ของกราฟีน ซึ่งเปลี่ยนแปลงโครงสร้างอิเล็กตรอนอย่างมีนัยสำคัญเมื่อเทียบกับกราฟีนแบบอิสระ

Boehm และคณะได้บัญญัติศัพท์คำว่า "กราฟีน" สำหรับโครงสร้างชั้นเดียวในเชิงสมมติฐานในปี 1986 ^{[ 42 ]}คำนี้ถูกนำมาใช้อีกครั้งในปี 1987 เพื่ออธิบายแผ่นกราไฟต์เดี่ยวที่เป็นส่วนประกอบของสารประกอบแทรกกราไฟต์ [ ^{43 ]}ซึ่งสามารถมองได้ว่าเป็นเกลือผลึกของสารแทรกและกราฟีน นอกจากนี้ยังถูกใช้ในการอธิบายท่อ^นาโนคาร์บอนโดย R. Saito และMildredและGene Dresselhausในปี 1992 ^{[ 44 ]}และในการอธิบายไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกหลายวงในปี 2000 โดย S. Wang และคนอื่นๆ^{[ 45 ]}

ความพยายามในการสร้างฟิล์มกราไฟต์บางๆ โดยการลอกแบบเชิงกลเริ่มขึ้นในปี พ.ศ. 2533 ^{[ 46 ]} ความพยายามเริ่มต้นใช้เทคนิคการลอกที่คล้ายกับวิธีการดึง ได้ตัวอย่างหลายชั้นที่มีความหนาถึง 10 นาโนเมตร^{[ 2 ]}

ในปี พ.ศ. 2545 Robert B. Rutherford และ Richard L. Dudman ได้ยื่นขอจดสิทธิบัตรในสหรัฐอเมริกาเกี่ยวกับวิธีการผลิตกราฟีนโดยการลอกชั้นออกจากเกล็ดกราไฟต์ที่ยึดติดกับพื้นผิวซ้ำๆ จนได้ความหนาของกราไฟต์ที่ 0.00001 นิ้ว (0.00025 มิลลิเมตร ) กุญแจสำคัญสู่ความสำเร็จคือความสามารถในการระบุเกล็ดกราฟีนบนพื้นผิวได้อย่างรวดเร็วและมีประสิทธิภาพโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอล ซึ่งให้ความแตกต่างเล็กน้อยแต่เห็นได้ชัดระหว่างกราฟีนกับพื้นผิว^{[ 47 ]}

ในปีเดียวกันนั้น Bor Z. Jang และ Wen C. Huang ได้ยื่นจดสิทธิบัตรของสหรัฐอเมริกาอีกฉบับหนึ่งสำหรับวิธีการผลิตกราฟีนโดยอาศัยการลอกชั้นตามด้วยการสึกหรอ^{[ 48 ]}

ในปี 2014 Larry Fullerton ผู้ประดิษฐ์ ได้จดสิทธิบัตรกระบวนการผลิตแผ่นกราฟีนชั้นเดียวโดยใช้คุณสมบัติไดอะแมกเนติก ที่แข็งแกร่งของกราฟีน ^{[ 49 ]}

กราฟีนได้รับการแยกและระบุลักษณะอย่างถูกต้องในปี 2547 โดยAndre GeimและKonstantin Novoselovที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ [ ^{10 ] [ 11 ] พวก}เขาดึงชั้นกราฟีนออกจากกราไฟต์ด้วยเทปกาว ธรรมดา ในกระบวนการที่เรียกว่าการแยกด้วยกลไกขนาดเล็ก ซึ่งเรียกกันทั่วไปว่าเทคนิคเทปสก๊อตช์^{[ 50 ]}จากนั้นเกล็ดกราฟีนจะถูกถ่ายโอนไปยัง ชั้น ซิลิคอนไดออกไซด์ บางๆ บน แผ่น ซิลิคอน ("เวเฟอร์") ซิลิกาจะแยกกราฟีนออกจากกันทางไฟฟ้าและมีปฏิสัมพันธ์กับกราฟีนเพียงเล็กน้อย ทำให้ได้ชั้นกราฟีนที่มีประจุเกือบเป็นกลาง ซิลิคอนที่อยู่ใต้SiO₂สามารถใช้เป็นขั้วไฟฟ้า "ประตูหลัง" เพื่อปรับเปลี่ยนความหนาแน่นของประจุในกราฟีนในช่วงกว้างได้

งานนี้ส่งผลให้ทั้งสองได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ในปี 2010 จากการทดลองที่ก้าวล้ำด้วยกราฟีน^{[ 50 ] [ 51 ] [ 52 ]}การตีพิมพ์ของพวกเขาและวิธีการเตรียมที่ง่ายอย่างน่าประหลาดใจที่พวกเขาอธิบายไว้ ได้จุดประกาย "การตื่นทองกราฟีน" การวิจัยขยายตัวและแตกแขนงออกเป็นสาขาย่อยต่างๆ มากมาย โดยสำรวจคุณสมบัติพิเศษต่างๆ ของวัสดุ เช่น กลศาสตร์ควอนตัม ไฟฟ้า เคมี กลศาสตร์ แสง แม่เหล็ก เป็นต้น

ตั้งแต่ช่วงต้นทศวรรษ 2000 บริษัทและห้องปฏิบัติการวิจัยหลายแห่งได้ทำงานเพื่อพัฒนาการใช้งานเชิงพาณิชย์ของกราฟีน ในปี 2014 สถาบันกราฟีนแห่งชาติได้ก่อตั้งขึ้นโดยมีวัตถุประสงค์ดังกล่าวที่มหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์ โดยได้รับเงินทุนเริ่มต้น 60 ล้านปอนด์^{[ 53 ]}ในภาคตะวันออกเฉียงเหนือของอังกฤษผู้ผลิตเชิงพาณิชย์สองราย ได้แก่ Applied Graphene Materials ^{[ 54 ]}และ Thomas Swan Limited ^{[ 55 ] [ 56 ]}ได้เริ่มการผลิตแล้วCambridge Nanosystems ^{[ 57 ]}เป็นโรงงานผลิตผงกราฟีนขนาดใหญ่ในอีสต์แองเกลีย

กราฟีนเป็นชั้นเดียวของอะตอมคาร์บอนที่ยึดติดกันอย่างแน่นหนาในโครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยมคล้ายรังผึ้ง เป็นไอโซโทปของคาร์บอนในรูปของระนาบของอะตอมที่เชื่อมต่อกันด้วยพันธะ sp² ^โดยมีความยาวพันธะโมเลกุลเท่ากับ 0.142  นาโนเมตร (1.42  อังสตรอม ) ${\displaystyle R}$

พื้นที่ของรูปหกเหลี่ยมที่มีด้านยาวเท่ากับ หน่วยหกเหลี่ยมของกราฟีนหนึ่ง ^{หน่วย}มีพื้นที่เท่ากับnm² มีอะตอมคาร์บอนสองอะตอมต่อหน่วย โดยมีมวลรวมเท่ากับmg ดังนั้นความหนาแน่น (สองมิติ) ของกราฟีนจึงเท่ากับ^mg ต่อตารางเมตร กราฟี น หนึ่งกิโลกรัมจึงมีพื้นที่เท่ากับm² หรือ 131.2 เฮกตาร์${\displaystyle R}$${\displaystyle {\frac {3{\sqrt {3}}}{2}}R^{2}}$${\displaystyle {\frac {3{\sqrt {3}}}{2}}0.142^{2}=0.0524}$${\displaystyle 2{\frac {12}{N_{0}}}=.0399\times 10^{-18}}$${\displaystyle 0.0399/0.0542=0.762}$${\displaystyle 10^{6}/0.762=1.312\times 10^{6}}$

ในแผ่นกราฟีน อะตอมแต่ละตัวจะเชื่อมต่อกับอะตอมคาร์บอนที่อยู่ใกล้ที่สุด 3 ตัวด้วยพันธะ σและพันธะ π ที่กระจายตัว ซึ่งมีส่วนทำให้เกิดแถบวาเลนซ์ที่แผ่ขยายไปทั่วทั้งแผ่นพันธะ ประเภทนี้ ยังพบได้ในไฮโดรคาร์บอนอะโรมาติกแบบหลายวง [ ^{58 ] [ 37 ] แถบ}วาเลนซ์สัมผัสกับแถบนำไฟฟ้าทำให้กราฟีนเป็นเซมิเมทัล ที่มี คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ผิดปกติซึ่งอธิบายได้ดีที่สุดด้วยทฤษฎีสำหรับอนุภาคสัมพัทธภาพไร้มวล^{[ 2 ]}ตัวนำประจุในกราฟีนแสดงการพึ่งพาพลังงานต่อโมเมนตัมแบบเชิงเส้น แทนที่จะเป็นแบบกำลังสอง และสามารถสร้างทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้าด้วยกราฟีนที่แสดงการนำไฟฟ้าแบบสองขั้ว การขนส่งประจุเป็นแบบบัลลิสติกในระยะทางไกล วัสดุนี้แสดงการแกว่งควอนตัม ขนาดใหญ่และ ไดอะแมกเนติซึมแบบไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่^{[ 59 ]}

อิเล็กตรอนวงนอก สามในสี่ตัวของแต่ละอะตอมในแผ่นกราฟีนจะครอบครองออร์บิทัลไฮบริด sp ² สามตัว ซึ่งเป็นการ รวมกันของออร์บิทัล s, p _xและ p _yที่ใช้ร่วมกับอะตอมที่อยู่ใกล้ที่สุดสามอะตอม ทำให้เกิดพันธะ σ ความยาวของพันธะ เหล่านี้ ประมาณ 0.142 นาโนเมตร^{[ 60 ] [ 61 ]}

อิเล็กตรอนเปลือกนอกที่เหลืออยู่จะครอบครองออร์บิทัล ap _zที่วางตัวตั้งฉากกับระนาบ ออร์บิทัลเหล่านี้จะผสมกันเพื่อสร้างแถบอิเล็กตรอนเคลื่อนที่อิสระสองแถบที่บรรจุครึ่งหนึ่ง คือ π และ π∗ ซึ่งเป็นสาเหตุของคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่โดดเด่นส่วนใหญ่ของกราฟีน^{[ 60 ]}การประมาณค่าเชิงปริมาณล่าสุดของการทำให้เสถียรภาพของอะโรมาติกและขนาดที่จำกัดที่ได้มาจากเอนทาลปีของการไฮโดรจิเนชัน (ΔH _hydro ) สอดคล้องกับรายงานในวรรณกรรมเป็นอย่างดี^{[ 62 ]}

แผ่นกราฟีนเรียงซ้อนกันเพื่อสร้างกราไฟต์โดยมีระยะห่างระหว่างระนาบ 0.335  นาโนเมตร (3.35  อังสตรอม ) ^{[ 63 ]}

แผ่นกราฟีนในรูปของแข็งมักแสดงหลักฐานการเลี้ยวเบนสำหรับการเรียงตัวเป็นชั้น (002) ของกราไฟต์ นี่เป็นความจริงสำหรับโครงสร้างนาโนผนังเดี่ยวบางชนิด^{[ 64 ]}อย่างไรก็ตาม กราฟีนที่ไม่มีชั้นซึ่งแสดงเฉพาะวงแหวน (hk0) ได้รับการสังเกตในแกนกลางของหัวหอมกราไฟต์ก่อน ยุคพลังงานแสงอาทิตย์ ^{[ 65 ]}การศึกษา TEM แสดงให้เห็นการเกิดเหลี่ยมมุมที่ข้อบกพร่องในแผ่นกราฟีนแบน^{[ 66 ]}และชี้ให้เห็นถึงบทบาทของการตกผลึกสองมิติจากของเหลวหลอมเหลว

โครงสร้างตาข่ายหกเหลี่ยมของกราฟีนชั้นเดียวที่แยกตัวออกมาสามารถมองเห็นได้โดยตรงด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่าน (TEM) ของแผ่นกราฟีนที่แขวนอยู่ระหว่างแท่งของตะแกรงโลหะ^{[ 36 ]}ภาพบางภาพแสดงให้เห็น "การกระเพื่อม" ของแผ่นเรียบ โดยมีแอมพลิจูดประมาณหนึ่งนาโนเมตร การกระเพื่อมเหล่านี้อาจเป็นลักษณะเฉพาะของวัสดุอันเป็นผลมาจากความไม่เสถียรของผลึกสองมิติ^{[ 2 ] [ 67 ] [ 68 ]}หรืออาจเกิดจากสิ่งสกปรกที่พบได้ทั่วไปในภาพ TEM ของกราฟีนทั้งหมด สารตกค้างของโฟ โตเร ซิสต์ ซึ่งต้องกำจัดออกเพื่อให้ได้ภาพที่มีความละเอียดระดับอะตอม อาจเป็น " สารดูดซับ " ที่สังเกตได้ในภาพ TEM และอาจอธิบายถึงการกระเพื่อมที่สังเกตได้^{[ 69 ]}

โครงสร้างหกเหลี่ยมยังพบเห็นได้ใน ภาพ กล้องจุลทรรศน์แบบสแกนอุโมงค์ (STM) ของกราฟีนที่รองรับบนพื้นผิวซิลิคอนไดออกไซด์^{[ 70 ]}การเกิดริ้วคลื่นที่เห็นในภาพเหล่านี้เกิดจากรูปร่างของกราฟีนที่เข้ากับโครงสร้างแลตติสของพื้นผิว และไม่ใช่ลักษณะเฉพาะตัว^{[ 70 ]}

การคำนวณแบบ ab initioแสดงให้เห็นว่าแผ่นกราฟีนไม่เสถียรทางอุณหพลศาสตร์หากมีขนาดเล็กกว่าประมาณ 20 นาโนเมตร และจะกลายเป็นฟูลเลอรีน ที่เสถียรที่สุด (เช่นเดียวกับในกราไฟต์) เฉพาะสำหรับโมเลกุลที่มีขนาดใหญ่กว่า 24,000 อะตอม^{[ 71 ]}

กราฟีนเป็น สารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างเป็นศูนย์เนื่องจากแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์มาบรรจบกันที่จุด Diracจุด Dirac คือตำแหน่งหกตำแหน่งในปริภูมิโมเมนตัมที่ขอบของโซน Brillouinซึ่งแบ่งออกเป็นสองชุดที่ไม่เท่ากันของจุดสามจุด ชุดเหล่านี้มีป้ายกำกับว่า K และ K' ชุดเหล่านี้ทำให้กราฟีน มีความเสื่อม ของหุบเขาในทางตรงกันข้าม สำหรับสารกึ่งตัวนำแบบดั้งเดิม จุดสนใจหลักโดยทั่วไปคือ Γ ซึ่งโมเมนตัมเป็นศูนย์^{[ 60 ]}${\displaystyle g_{v}=2}$

หากทิศทางในระนาบถูกจำกัดแทนที่จะเป็นอนันต์ โครงสร้างอิเล็กตรอนก็จะเปลี่ยนแปลงไป โครงสร้างที่ถูกจำกัดเหล่านี้เรียกว่านาโนริบบอนกราฟีนหากนาโนริบบอนมีขอบแบบ "ซิกแซก" ช่องว่างพลังงานจะยังคงเป็นศูนย์ แต่ถ้ามีขอบแบบ "อาร์มแชร์" ช่องว่างพลังงานจะไม่เป็นศูนย์

โครงสร้างรังผึ้งของกราฟีนสามารถมองได้ว่าเป็นโครงตาข่ายสามเหลี่ยมสองอันที่สลับกัน มุมมองนี้ถูกนำมาใช้ในการคำนวณโครงสร้างแถบพลังงานสำหรับชั้นกราไฟต์ชั้นเดียวโดยใช้การประมาณแบบไทต์ไบน์ดิง^{[ 60 ]}

อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่ผ่านโครงสร้างตาข่ายรังผึ้งของกราฟีนจะสูญเสียมวลไปอย่างมีประสิทธิภาพ ทำให้เกิดอนุภาคเสมือนที่อธิบายได้ด้วยสมการ Dirac แบบ 2 มิติ แทนที่จะ เป็น สมการ Schrödingerสำหรับสปิน1/2อนุภาค^{[ 72 ] [ 73 ]}​

เทคนิคการแยกชั้นนำไปสู่การสังเกตปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์ที่ผิดปกติในกราฟีนเป็นครั้งแรกในปี 2548 โดยกลุ่มของ Geim และโดยPhilip KimและYuanbo Zhangปรากฏการณ์นี้ให้หลักฐานโดยตรงของเฟสBerry ของเฟอร์มิออน Diracไร้มวล ที่ทำนายไว้ตามทฤษฎีของกราฟีน และเป็นหลักฐานยืนยันถึงธรรมชาติของเฟอร์มิออน Dirac ของอิเล็กตรอน^{[ 32 ] [ 34 ]}ก่อนหน้านี้มีการสังเกตปรากฏการณ์เหล่านี้ในกราไฟต์จำนวนมากโดย Yakov Kopelevich, Igor A. Luk'yanchuk และคนอื่นๆ ในปี 2546–2547 ^{[ 74 ] [ 75 ]}

เมื่ออะตอมถูกวางลงบนโครงตาข่ายหกเหลี่ยมของกราฟีน การทับซ้อนระหว่าง ออร์บิทัล p _z (π) และ ออร์บิทัล sหรือp _xและp _yจะเป็นศูนย์เนื่องจากสมมาตร ดังนั้น อิเล็กตรอน p _zที่สร้างแถบ π ในกราฟีนจึงสามารถพิจารณาได้อย่างอิสระ ภายใต้การประมาณแถบ π นี้ โดยใช้แบบจำลองไทต์ไบน์ดิง แบบดั้งเดิม ความสัมพันธ์การกระจายตัว (จำกัดเฉพาะปฏิสัมพันธ์เพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุดเท่านั้น) ที่สร้างพลังงานของอิเล็กตรอนที่มีเวกเตอร์คลื่นkคือ: ^{[ 30 ] [ 76 ]}

${\displaystyle E(k_{x},k_{y})=\pm \,\gamma _{0}{\sqrt {1+4\cos ^{2}{{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}+4\cos {{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}\cdot \cos {{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}ak_{y}}}}}$

โดยมีพลังงานการกระโดดระหว่างเพื่อนบ้านที่ใกล้ที่สุด (วงโคจร π) γ ₀ ≈2.8 eVและค่าคงที่แลตติสa ≈2.46 Åแถบนำไฟฟ้าและแถบวาเลนซ์สอดคล้องกับเครื่องหมายที่แตกต่างกันในแบบจำลองนี้ มีอิเล็กตรอน p _{z หนึ่งตัวต่ออะตอม ทำให้แถบวาเลนซ์ถูกครอบครองอย่างสมบูรณ์ ในขณะที่แถบนำไฟฟ้าว่างเปล่า แถบทั้งสองสัมผัสกันที่มุมโซน (จุด} Kในโซนบริลลูอิน) ซึ่งมีความหนาแน่นของสถานะเป็นศูนย์ แต่ไม่มีช่องว่างของแถบ ดังนั้น กราฟีนจึงแสดงลักษณะกึ่งโลหะ (หรือสารกึ่งตัวนำที่มีช่องว่างเป็นศูนย์) แม้ว่าสิ่งนี้จะไม่เป็นจริงสำหรับแผ่นกราฟีนที่ม้วนเป็นท่อนาโนคาร์บอนเนื่องจากความโค้งของมัน จุด Dirac สองจุดจากหกจุดเป็นอิสระ ในขณะที่จุดที่เหลือเทียบเท่ากันโดยสมมาตร ใกล้ จุด Kพลังงานขึ้นอยู่ กับเวกเตอร์คลื่น เชิงเส้นคล้ายกับอนุภาคสัมพัทธภาพ ^{[ 30 ] [ 77 ]}เนื่องจากเซลล์พื้นฐานของแลตทิซมีฐานเป็นอะตอมสองตัวฟังก์ชันคลื่นจึงมีโครงสร้าง 2-สปินเนอร์ที่

ดังนั้น ที่พลังงานต่ำ แม้จะละเลยสปินที่แท้จริง อิเล็กตรอนก็สามารถอธิบายได้ด้วยสมการที่เทียบเท่ากับสมการ Dirac ที่ไม่มีมวล ดังนั้น อิเล็กตรอนและโฮลจึงเรียกว่าเฟอร์มิ ออน Dirac ^{[ 30 ]}คำอธิบายแบบเสมือนสัมพัทธภาพนี้ถูกจำกัดไว้ที่ขีดจำกัดไครัล กล่าวคือ มวลนิ่งM ₀ ที่เป็นศูนย์ ซึ่งนำไปสู่คุณสมบัติเพิ่มเติมที่น่าสนใจ: ^{[ 30 ] [ 78 ]}

${\displaystyle v_{F}\,{\vec {\sigma }}\cdot \nabla \psi (\mathbf {r} )\,=\,E\psi (\mathbf {r} ).}$

ที่นี่v _F ~10 ⁶  m/s (.003 c) คือความเร็วเฟอร์มิในกราฟีน ซึ่งแทนที่ความเร็วแสงในทฤษฎีของดิแรก; คือเวกเตอร์ของเมทริกซ์เปาลีคือฟังก์ชันคลื่นสององค์ประกอบของอิเล็กตรอน และEคือพลังงานของพวกมัน^{[ 72 ]}${\displaystyle {\vec {\sigma }}}$${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )}$

สมการที่อธิบายความสัมพันธ์การกระจายตัวเชิงเส้นของอิเล็กตรอนคือ:

${\displaystyle E(q)=\hbar v_{F}q}$

โดยที่เวกเตอร์คลื่นqวัดจากจุดยอดโซนบริลลูอิน K และกำหนดให้ศูนย์พลังงานตรงกับจุดดิแรก สมการนี้ใช้สูตรเมทริกซ์สปินเทียมที่อธิบายสองซับแลตติซของแลตติซรังผึ้ง^{[ 77 ]}${\displaystyle q=\left|\mathbf {k} -\mathrm {K} \right|}$

คลื่นอิเล็กตรอนในกราฟีนแพร่กระจายภายในชั้นอะตอมเดี่ยว ทำให้มีความไวต่อการอยู่ใกล้เคียงของวัสดุอื่นๆ เช่น ไดอิเล็กท ริกที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กทริกสูงตัวนำยิ่งยวดและแม่เหล็กเฟอร์โร

กราฟีนแสดงให้เห็นถึง ความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงที่อุณหภูมิห้อง โดยมีค่าที่รายงานไว้สูงกว่า15,000 cm² ^{⋅V⁻¹ ⋅s⁻¹ [ 2} ] ความ คล่องตัว  ของ รูและ ^{อิเล็กตรอน}เกือบจะเหมือนกัน[ ^{73 ] ความ}คล่องตัวไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิ^{ระหว่าง}10 Kและ100 K , ^{[ 32 ] [ 79 ] [ 80 ]}แสดงให้เห็นการเปลี่ยนแปลงน้อยที่สุดแม้ที่อุณหภูมิห้อง (300 K) ^{[ 2 ]}ซึ่งบ่งชี้ว่ากลไกการกระเจิงที่เด่นคือการกระเจิงของข้อบกพร่อง การกระเจิงโดย โฟนอนอะคูสติกของกราฟีนจำกัดการเคลื่อนที่ที่อุณหภูมิห้องในกราฟีนอิสระโดยธรรมชาติ200,000 cm²⋅V⁻¹⋅s⁻¹ ^ที่ความหนาแน่นของ^{ตัวนำไฟฟ้า} ​10 ¹²  cm ⁻² . ^{[ 80 ] [ 81 ]}

ค่า ความต้านทานจำเพาะของแผ่นกราฟีนคือ10 ⁻⁸  Ω⋅mต่ำกว่าความต้านทานของเงินซึ่งเป็นค่าความต้านทานต่ำที่สุดที่ทราบที่อุณหภูมิห้อง^{[ 82 ]}อย่างไรก็ตาม บนSiO₂ในกรณีของวัสดุรองรับ การกระเจิงของอิเล็กตรอนโดยโฟนอนเชิงแสงของวัสดุรองรับจะมีผลมากกว่าการกระเจิงโดยโฟนอนของกราฟีน ซึ่งจำกัดการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน40 000  cm ² ⋅V ⁻¹ ⋅s ⁻¹ . ^{[ 80 ]}

การขนส่งประจุอาจได้รับผลกระทบจากการดูดซับของสารปนเปื้อน เช่น โมเลกุล ของน้ำและออกซิเจนซึ่งนำไปสู่ลักษณะ IV ที่ไม่ซ้ำกันและมีฮิสเทอรีซิสขนาดใหญ่ นักวิจัยจำเป็นต้องทำการวัดทางไฟฟ้าในสุญญากาศ การเคลือบพื้นผิวกราฟีนด้วยวัสดุเช่น SiN, PMMAหรือ h-BN ได้รับการเสนอเพื่อป้องกัน ในเดือนมกราคม 2015 มีการรายงานการทำงานของอุปกรณ์กราฟีนที่เสถียรในอากาศเป็นเวลาหลายสัปดาห์เป็นครั้งแรกสำหรับกราฟีนที่มีพื้นผิวได้รับการปกป้องด้วยอะลูมิเนียมออกไซด์ [ ^{83 ] [ 84 ] ใน}ปี 2015 กราฟีนที่เคลือบด้วยลิเธี ยมแสดงให้เห็นถึง สภาพนำยิ่งยวดซึ่งเป็นครั้งแรกสำหรับกราฟีน^{[ 85 ]}

ความต้านทานไฟฟ้าใน นาโนริบบอน กราฟีนแบบเอพิแทกเซียล ที่มีความกว้าง 40 นาโนเมตรจะเปลี่ยนแปลงเป็นขั้นๆ การนำไฟฟ้าของริบบอนนั้นเกินกว่าที่คาดการณ์ไว้ถึง 10 เท่า ริบบอนเหล่านี้สามารถทำงานได้คล้ายกับตัวนำคลื่นแสงหรือควอนตัมดอททำให้อิเล็กตรอนไหลได้อย่างราบรื่นตามขอบของริบบอน ในทองแดง ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามสัดส่วนของความยาวเมื่ออิเล็กตรอนพบกับสิ่งเจือปน^{[ 86 ] [ 87 ]}

การขนส่งถูกครอบงำด้วยสองโหมด ได้แก่ โหมดบัลลิสติกที่ไม่ขึ้นกับอุณหภูมิ และโหมดที่กระตุ้นด้วยความร้อน อิเล็กตรอนบัลลิสติกมีลักษณะคล้ายกับอิเล็กตรอนในท่อนาโนคาร์บอนทรงกระบอก ที่อุณหภูมิห้อง ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างฉับพลันที่ความยาวเฉพาะค่าหนึ่ง คือ โหมดบัลลิสติกที่ 16 ไมโครเมตร และโหมดที่กระตุ้นด้วยความร้อนที่ 160 นาโนเมตร (1% ของความยาวเดิม) ^{[ 86 ]}

อิเล็กตรอนของกราฟีนสามารถเคลื่อนที่ได้ไกลระดับไมโครเมตรโดยไม่เกิดการกระเจิง แม้ที่อุณหภูมิห้อง^{[ 72 ]}

แม้ว่าความหนาแน่นของตัวนำจะเป็นศูนย์ใกล้จุด Dirac แต่กราฟีนก็ยังแสดงค่าการนำไฟฟ้าต่ำสุดในระดับประมาณ ที่มาของค่าการนำไฟฟ้าต่ำสุดนี้ยังไม่ชัดเจน อย่างไรก็ตาม อาจเกิดจากการกระเพื่อมของแผ่นกราฟีนหรือสิ่งเจือปนที่แตกตัวเป็นไอออนในSiO₂${\displaystyle 4e^{2}/h}$₂พื้นผิวอาจนำไปสู่แอ่งของตัวนำเฉพาะที่ซึ่งทำให้เกิดการนำไฟฟ้าได้^{[ 73 ]}ทฤษฎีหลายทฤษฎีแนะนำว่าค่าการนำไฟฟ้าขั้นต่ำควรเป็น; อย่างไรก็ตาม การวัดส่วนใหญ่อยู่ในระดับหรือมากกว่า^{[ 2 ]}และขึ้นอยู่กับความเข้มข้นของสิ่งเจือปน^{[ 88 ]}${\displaystyle 4e^{2}/{(\pi }h)}$${\displaystyle 4e^{2}/h}$

ที่ความหนาแน่นของตัวนำใกล้ศูนย์ กราฟีนแสดงการนำไฟฟ้าด้วยแสงที่เป็นบวก และการนำไฟฟ้าด้วยแสงที่เป็นลบที่ความหนาแน่นของตัวนำสูง ซึ่งถูกควบคุมโดยปฏิสัมพันธ์ระหว่างการเปลี่ยนแปลงที่เกิดจากแสงของทั้งน้ำหนัก Drudeและอัตราการกระเจิงของตัวนำ^{[ 89 ]}

กราฟีนที่เจือด้วยก๊าซชนิดต่างๆ (ทั้งตัวรับและตัวให้) สามารถกลับคืนสู่สถานะที่ไม่เจือได้ด้วยการให้ความร้อนอย่างอ่อนโยนในสุญญากาศ^{[ 88 ] [ 90 ]}แม้แต่ ความเข้มข้น ของสารเจือปนที่เกิน 10 ¹² cm ⁻²การเคลื่อนที่ของตัวนำก็ไม่มีการเปลี่ยนแปลงที่สังเกตได้^{[ 90 ]}กราฟีนที่เจือด้วยโพแทสเซียมในสุญญากาศสูงมากที่อุณหภูมิต่ำสามารถลดการเคลื่อนที่ลงได้ถึง 20 เท่า^{[ 88 ] [ 91 ]}การลดลงของการเคลื่อนที่สามารถย้อนกลับได้โดยการให้ความร้อนแก่กราฟีนเพื่อกำจัดโพแทสเซียม

เนื่องจากกราฟีนมีสองมิติ จึงเชื่อว่าจะเกิดการแยกส่วนของประจุ (โดยที่ประจุที่ปรากฏของอนุภาคเสมือนแต่ละตัวในระบบมิติต่ำมีค่าน้อยกว่าควอนตัมเดียว) ^{[ 92 ]}ดังนั้นจึงอาจเป็นวัสดุที่เหมาะสมสำหรับการสร้างคอมพิวเตอร์ควอนตัม^{[ 93 ]}โดยใช้วงจรแอนิออนิก^{[ 94 ]}

ปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์ เป็น ปรากฏการณ์ฮอลล์ในเชิงกลศาสตร์ควอนตัมซึ่งเป็นการเกิดสภาพนำไฟฟ้าในทิศทางตั้งฉากกับกระแสหลักเมื่อมีสนามแม่เหล็ก อยู่ การควอน ตัมของปรากฏการณ์ฮอลล์ เกิดขึ้น ที่ค่าทวีคูณจำนวนเต็ม ( ระดับแลนเดา ) ของปริมาณพื้นฐานe² ^/ h (โดยที่eคือประจุไฟฟ้าพื้นฐาน และhคือค่าคงที่ของพลังค์ ) โดยทั่วไปแล้วสามารถสังเกตได้เฉพาะใน ของแข็ง ซิลิคอนหรือแกลเลียมอาร์เซไนด์ที่บริสุทธิ์มาก ๆ ที่อุณหภูมิประมาณ${\displaystyle \sigma _{xy}}$3  Kและสนามแม่เหล็กสูงมาก

กราฟีนแสดงปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์: การควอนตัมของการนำไฟฟ้ามีความผิดปกติตรงที่ลำดับขั้นจะเลื่อนไป 1/2 เมื่อเทียบกับลำดับมาตรฐานและมีปัจจัยเพิ่มเติมอีก 4 เท่า การนำไฟฟ้าฮอลล์ของกราฟีนคือโดยที่Nคือระดับแลนเดา และการเสื่อมสภาพของหุบเขาคู่และสปินคู่ทำให้ได้ปัจจัย 4 ^{[ 2 ]}ความผิดปกติเหล่านี้ไม่ได้ปรากฏเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำมากเท่านั้น แต่ยังปรากฏที่อุณหภูมิห้องด้วย กล่าวคือที่ประมาณ 20 °C (293 K) ^{[ 32 ]}${\displaystyle \sigma _{xy}=\pm {4\cdot \left(N+1/2\right)e^{2}}/h}$

พฤติกรรมนี้เป็นผลโดยตรงจากอิเล็กตรอน Dirac ไครัลไร้มวลของกราฟีน^{[ 2 ] [ 95 ]}ในสนามแม่เหล็ก สเปกตรัมของพวกมันมีระดับ Landau ที่มีพลังงานอยู่ที่จุด Dirac อย่างแม่นยำ ระดับนี้เป็นผลมาจากทฤษฎีบทดัชนี Atiyah–Singerและถูกเติมครึ่งหนึ่งในกราฟีนที่เป็นกลาง^{[ 30 ]}ซึ่งนำไปสู่ ​​"+1/2" ในค่าการนำไฟฟ้า Hall ^{[ 33 ]}กราฟีนสองชั้นยังแสดงปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์ แต่มีความผิดปกติเพียงหนึ่งในสองอย่าง (เช่น) ในความผิดปกติที่สอง ที่ราบสูงแรกที่N = 0หายไป ซึ่งบ่งชี้ว่ากราฟีนสองชั้นยังคงเป็นโลหะที่จุดความเป็นกลาง^{[ 2 ]}${\displaystyle \sigma _{xy}=\pm {4\cdot N\cdot e^{2}}/h}$

แตกต่างจากโลหะทั่วไป ความต้านทานตามยาวของกราฟีนแสดงค่าสูงสุดแทนที่จะเป็นค่าต่ำสุดสำหรับค่าอินทิกรัลของปัจจัยการเติมแลนเดาในการวัดการแกว่งของชูบนิคอฟ-เดอ ฮาสดังนั้นจึงใช้คำว่า " ปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์ แบบอินทิกรัล " การแกว่งเหล่านี้แสดงการเลื่อนเฟสของ π ซึ่งเรียกว่าเฟสของเบอร์รี^{[ 32 ] [ 73 ]}เฟสของเบอร์รีเกิดขึ้นเนื่องจากไครัลลิตี้หรือการพึ่งพา (การล็อก) ของเลขควอนตัมสปินเทียมกับโมเมนตัมของอิเล็กตรอนพลังงานต่ำใกล้จุดดิแรก^{[ 34 ]}การพึ่งพาอุณหภูมิของการแกว่งเผยให้เห็นว่าตัวพามีมวลไซโคลตรอนที่ไม่เป็นศูนย์ แม้ว่าจะมีมวลประสิทธิผลเป็นศูนย์ในรูปแบบเฟอร์มิออนดิแรกก็ตาม^{[ 32 ]}

ตัวอย่างกราฟีนที่เตรียมบนฟิล์มนิกเกิล และบนทั้งด้านซิลิคอนและด้านคาร์บอนของซิลิคอนคาร์ไบด์แสดงผลผิดปกติโดยตรงในการวัดทางไฟฟ้า^{[ 96 ] [ 97 ] [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ]}ชั้นกราไฟต์บนด้านคาร์บอนของซิลิคอนคาร์ไบด์แสดงสเปกตรัม Dirac ที่ชัดเจน ใน การทดลอง โฟโตอิเล็กตรอนแบบแยกมุมและสังเกตเห็นผลดังกล่าวในการทดลองเรโซแนนซ์ไซโคลตรอนและการอุโมงค์^{[ 102 ]}

หน่วยเซลล์ของกราฟีนมีอะตอมคาร์บอนที่เหมือนกันสองอะตอมและสถานะพลังงานศูนย์สองสถานะ: สถานะหนึ่งที่อิเล็กตรอนอยู่บนอะตอม A และอีกสถานะหนึ่งอยู่บนอะตอม B อย่างไรก็ตาม หากอะตอมทั้งสองของหน่วยเซลล์ไม่เหมือนกัน สถานการณ์ก็จะเปลี่ยนไป งานวิจัยแสดงให้เห็นว่าการวางโบรอนไนไตรด์หกเหลี่ยม (h-BN) ให้สัมผัสกับกราฟีนสามารถเปลี่ยนแปลงศักยภาพที่อะตอม A และ B ได้มากพอที่จะทำให้อิเล็กตรอนมีมวลและช่องว่างแถบพลังงานประมาณ 30 meV ^{[ 103 ]}

มวลอาจเป็นบวกหรือลบ การจัดเรียงที่เพิ่มพลังงานของอิเล็กตรอนบนอะตอม A เล็กน้อยเมื่อเทียบกับอะตอม B จะทำให้อิเล็กตรอนมีมวลเป็นบวก ในขณะที่การจัดเรียงที่เพิ่มพลังงานของอะตอม B จะทำให้อิเล็กตรอนมีมวลเป็นลบ ทั้งสองแบบมีพฤติกรรมคล้ายกันและไม่สามารถแยกแยะได้ด้วยสเปกโทรสโกปีเชิงแสง อิเล็กตรอนที่เคลื่อนที่จากบริเวณที่มีมวลเป็นบวกไปยังบริเวณที่มีมวลเป็นลบจะต้องผ่านบริเวณตรงกลางซึ่งมวลของมันจะกลายเป็นศูนย์อีกครั้ง บริเวณนี้ไม่มีช่องว่างและดังนั้นจึงเป็นโลหะ โหมดโลหะที่ล้อมรอบบริเวณกึ่งตัวนำที่มีมวลเครื่องหมายตรงข้ามกันเป็นลักษณะเด่นของเฟสเชิงทอพอโลยีและแสดงฟิสิกส์ที่คล้ายคลึงกับฉนวนเชิงทอพอโลยีมาก^{[ 103 ]}

หากสามารถควบคุมมวลในกราฟีนได้ อิเล็กตรอนจะถูกจำกัดให้อยู่ในบริเวณที่ไม่มีมวลโดยการล้อมรอบด้วยบริเวณที่มีมวล ทำให้สามารถสร้างลวดลายของควอนตัมดอตลวด และโครงสร้างเมโซสโคปิกอื่นๆ ได้ นอกจากนี้ยังสร้างตัวนำแบบหนึ่งมิติตามขอบเขต ลวดเหล่านี้จะได้รับการปกป้องจากการกระเจิงย้อนกลับและสามารถนำกระแสไฟฟ้าได้โดยไม่มีการสูญเสีย^{[ 103 ]}

ในขณะที่อิเล็กตรอนตัวเดียวแสดงมวลยังผลเป็นศูนย์ในกราฟีน เมื่ออิเล็กตรอนทั้งชุดเคลื่อนที่ด้วยสนามไฟฟ้า จานเฟอร์มิจะเลื่อน โดยทั้งพลังงานจลน์รวมและขนาดของโมเมนตัมรวมจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากมีค่าต่ำสุดเมื่อ ดังนั้นในลำดับแรกจะต้องเป็นจริง^{[ 104 ]}ค่าคงที่สัดส่วนจะต้องกำหนดโดย โดยที่คือมวลรวม (ความเฉื่อย) ของอิเล็กตรอนกราฟีน อีกมุมมองหนึ่งคือการเชื่อมโยงพลังงานจลน์รวมกับกระแส เนื่องจากโมเมนตัมรวมเป็นสัดส่วนกับกระแส จึงต้องเป็นจริง ค่าคงที่สัดส่วนจะต้องกำหนดโดย โดยที่คือปริมาณของหน่วยความเหนี่ยวนำ แต่ที่มาของมันไม่ได้มาจากการเหนี่ยวนำของฟาราเดย์ แต่มาจากผลของความเฉื่อยคือความเหนี่ยวนำจลน์ของกราฟีน^{[ 104 ]}และกำหนดโดยต่อหน่วยความยาวสำหรับแถบกราฟีนที่มีความกว้าง( คือพลังงานเฟอร์มิ) ค่าเหนี่ยวนำจลน์ ซึ่งแสดงถึงผลเฉื่อยโดยรวม มีความเชื่อมโยงอย่างใกล้ชิดกับพลาสมอนิกส์ของกราฟีน และวัดโดยตรงผ่านการวิเคราะห์เครือข่ายไมโครเวฟในปี 2557 ^{[ 104 ]}${\displaystyle E}$${\displaystyle P}$${\displaystyle E}$${\displaystyle P=0}$${\displaystyle E\sim P^{2}}$${\displaystyle 1/(2M)}$${\displaystyle M}$${\displaystyle I}$${\displaystyle E\sim I^{2}}$${\displaystyle (1/2)L_{k}}$${\displaystyle L_{k}}$${\displaystyle L_{k}}$${\displaystyle L_{K}=(\pi \hbar ^{2})/(e^{2}\epsilon _{F}W)}$${\displaystyle W}$${\displaystyle \epsilon _{F}}$

ในสนามแม่เหล็กที่สูงกว่า 10 เทสลาจะมีการสังเกตพบช่วงราบเพิ่มเติมของค่าการนำไฟฟ้าฮอลล์ที่σ _xy = νe ² / hโดยที่ν = 0, ±1, ±4 ^{[ 105 ]}ช่วงราบที่ν = 3 ^{[ 106 ]}และปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนที่ν = ⁠1/3มีการรายงานเพิ่มเติมด้วย^{[ 106 ] [ 107 ]}

การสังเกตเหล่านี้ด้วยค่า ν = 0, ±1, ±3, ±4บ่งชี้ว่าภาวะเสื่อมสี่เท่า (สองหุบเขาและสององศาอิสระของสปิน) ของระดับพลังงานแลนเดาถูกยกเลิกไปบางส่วนหรือทั้งหมด

ปรากฏการณ์แคซิเมียร์เป็นการปฏิสัมพันธ์ระหว่างวัตถุที่เป็นกลางที่ไม่เกี่ยวข้องกันซึ่งเกิดจากการผันผวนของสุญญากาศแม่เหล็กไฟฟ้า ในทางคณิตศาสตร์ สามารถอธิบายได้โดยการพิจารณาโหมดปกติของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งขึ้นอยู่กับเงื่อนไขขอบเขตบนพื้นผิวของวัตถุที่โต้ตอบกันอย่างชัดเจน เนื่องจากกราฟีนมีปฏิสัมพันธ์อย่างมากกับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าในฐานะวัสดุที่มีความหนาเพียงอะตอมเดียว ปรากฏการณ์แคซิเมียร์จึงได้รับความสนใจอย่างมาก^{[ 108 ] [ 109 ]}

แรงแวนเดอร์วาลส์ (หรือแรงกระจายตัว) ก็มีความผิดปกติเช่นกัน โดยเป็นไปตาม กฎกำลังเชิงเส้นกำกับแบบผกผันกำลังสามซึ่งแตกต่างจากกฎกำลังเชิงเส้นกำกับแบบผกผันกำลังสี่ตามปกติ^{[ 110 ]}

ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้าของกราฟีนแปรผันตามความถี่ ในช่วงความถี่ตั้งแต่ไมโครเวฟถึงมิลลิเมตรเวฟจะมีค่าประมาณ 3.3 ^{[ 111 ]}ค่าสภาพยอมทางไฟฟ้านี้ เมื่อรวมกับความสามารถในการทำหน้าที่เป็นทั้งตัวนำและฉนวน ในทางทฤษฎีแล้วจะทำให้ตัวเก็บประจุ ขนาดกะทัดรัด ที่ทำจากกราฟีนสามารถเก็บพลังงานไฟฟ้าได้ในปริมาณมาก

กราฟีนแสดงคุณสมบัติทางแสงที่เป็นเอกลักษณ์ โดยแสดงความทึบแสง สูงอย่างไม่คาดคิด สำหรับชั้นอะตอมเดี่ยวในสุญญากาศ ดูดซับแสง ได้ประมาณ πα ≈ 2.3%จากความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ไปจนถึงอินฟราเรด^{[ 5 ] [ 6 ] [ 112 ]}โดยที่αคือค่าคงที่โครงสร้างละเอียดนี่เป็นผลมาจากโครงสร้างอิเล็กตรอนพลังงานต่ำที่ผิดปกติของกราฟีนชั้นเดียว ซึ่งมีลักษณะเฉพาะคือแถบรูปกรวย ของอิเล็กตรอนและโฮลมา บรรจบกันที่จุด Diracซึ่งแตกต่างในเชิงคุณภาพจากแถบมวลกำลังสองที่พบได้ทั่วไป^{[ 5 ]}จากแบบจำลองแถบ Slonczewski–Weiss–McClure (SWMcC) ของกราไฟต์ การคำนวณโดยใช้สมการ Fresnelในขีดจำกัดฟิล์มบางจะคำนึงถึงระยะห่างระหว่างอะตอม ค่าการกระโดด และความถี่ จึงสามารถประเมินค่าการนำไฟฟ้าทางแสงได้

การตรวจสอบเชิงทดลอง แม้ว่าจะได้รับการยืนยันแล้ว ก็ยังขาดความแม่นยำที่จำเป็นในการปรับปรุงเทคนิคที่มีอยู่สำหรับการกำหนดค่าคงที่โครงสร้างละเอียด^{[ 113 ]}

การเรโซแนนซ์พลาสมอนพื้นผิวแบบหลายพารามิเตอร์ถูกนำมาใช้เพื่อกำหนดลักษณะทั้งความหนาและดัชนีหักเหของฟิล์มกราฟีนที่ปลูกโดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) ที่ความยาวคลื่น 670  นาโนเมตร (6.7 × 10 ⁻⁷  ม. ) ค่าดัชนีหักเหและสัมประสิทธิ์การดูดกลืนแสงที่วัดได้คือ 3.135 และ 0.897 ตามลำดับ การกำหนดความหนาได้ผลลัพธ์ 3.7 Å ในพื้นที่ 0.5 มม. ซึ่งสอดคล้องกับ 3.35 Å ที่รายงานสำหรับระยะห่างระหว่างอะตอมคาร์บอนของผลึกกราไฟต์^{[ 114 ]}วิธีนี้สามารถนำไปใช้กับการปฏิสัมพันธ์แบบเรียลไทม์โดยไม่ต้องใช้ฉลากของกราฟีนกับสารอินทรีย์และอนินทรีย์ การมีอยู่ของพลาสมอนพื้นผิวแบบทิศทางเดียวในอินเทอร์เฟซไจโรโทรปิกแบบไม่สมมาตรที่ใช้กราฟีนได้รับการพิสูจน์ทางทฤษฎีแล้ว โดยให้ความสามารถในการปรับแต่งตั้งแต่ THz ไปจนถึงความถี่ใกล้อินฟราเรดและมองเห็นได้โดยการควบคุมศักยภาพทางเคมีของกราฟีน^{[ 115 ]}โดยเฉพาะอย่างยิ่ง แบนด์วิดท์ความถี่แบบทิศทางเดียวสามารถมีขนาดใหญ่กว่าที่สามารถทำได้ด้วยโลหะภายใต้เงื่อนไขสนามแม่เหล็กที่คล้ายกันถึง 1–2 อันดับขนาด ซึ่งเป็นผลมาจากมวลอิเล็กตรอนที่มีประสิทธิภาพที่เล็กมากของกราฟีน

ช่องว่างพลังงานของกราฟีนสามารถปรับได้ตั้งแต่ 0 ถึง0.25 eV (ความยาวคลื่นประมาณ 5 ไมโครเมตร) โดยการใช้แรงดันไฟฟ้ากับทรานซิสเตอร์สนามไฟฟ้ากราฟีนสองชั้นแบบ สองเกต (FET) ที่อุณหภูมิห้อง^{[ 116 ]}การตอบสนองทางแสงของนาโนริบบอนกรา ฟีน สามารถปรับได้ในช่วงเทราเฮิร์ตซ์โดยใช้สนามแม่เหล็ก^{[ 117 ]}ระบบกราฟีน/กราฟีนออกไซด์แสดง พฤติกรรม อิเล็กโทรโครมิกทำให้สามารถปรับคุณสมบัติทางแสงทั้งแบบเชิงเส้นและแบบอัลตร้าฟาสต์ได้^{[ 118 ]}

ได้มีการสร้าง แผ่นกระจายแสงแบร็ ก ( ผลึกโฟตอนิกแบบหนึ่งมิติ ) ที่ใช้กราฟีนเป็นฐานโดยแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการกระตุ้นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนพื้นผิวในโครงสร้างเป็นระยะโดยใช้  เลเซอร์ฮีเลียม-นีออน 633 นาโนเมตร (6.33 × 10 ⁻⁷  ม .) เป็นแหล่งกำเนิดแสง ^{[ 119 ]}

กราฟีนแสดงคุณสมบัติการดูดซับแบบอิ่มตัวที่เป็นเอกลักษณ์ ซึ่งจะอิ่มตัวเมื่อความเข้มแสงขาเข้าเกินค่าเกณฑ์ พฤติกรรมทางแสงแบบไม่เชิงเส้นนี้ เรียกว่าการดูดซับแบบอิ่มตัวเกิดขึ้นในช่วงสเปกตรัมที่มองเห็นได้ไปจนถึงใกล้อินฟราเรดเนื่องจากการดูดซับแสงแบบสากลและช่องว่างแถบพลังงานเป็นศูนย์ของกราฟีน คุณสมบัตินี้ทำให้สามารถล็อกโหมดแบบเต็มแบนด์ในเลเซอร์ไฟเบอร์โดยใช้ตัวดูดซับแบบอิ่มตัวที่ใช้กราฟีน ซึ่งมีส่วนสำคัญต่อโฟโตนิกส์ ความเร็วสูง นอกจากนี้ การตอบสนองทางแสงของชั้นกราฟีน/กราฟีนออกไซด์ยังสามารถปรับแต่งได้ด้วยไฟฟ้า^{[ 118 ] [ 120 ] [ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ]}

การดูดซับแบบอิ่มตัวในกราฟีนสามารถเกิดขึ้นได้ที่ย่านไมโครเวฟและเทราเฮิร์ตซ์ เนื่องมาจากคุณสมบัติการดูดซับแสงแบบบรอดแบนด์ การดูดซับแบบอิ่มตัวของไมโครเวฟในกราฟีนแสดงให้เห็นถึงความเป็นไปได้ของอุปกรณ์โฟโตนิกส์ไมโครเวฟและเทราเฮิร์ตซ์ของกราฟีน เช่น ตัวดูดซับแบบอิ่มตัวของไมโครเวฟ ตัวปรับสัญญาณ ตัวโพลาไรเซอร์ การประมวลผลสัญญาณไมโครเวฟ และเครือข่ายการเข้าถึงไร้สายบรอดแบนด์^{[ 125 ]}

ภายใต้การฉายแสงเลเซอร์ที่มีความเข้มสูง กราฟีนจะแสดงการเปลี่ยนแปลงเฟสแบบไม่เชิงเส้นเนื่องจากปรากฏการณ์เคอร์ แบบไม่เชิงเส้นทาง แสง กราฟีนแสดงค่าสัมประสิทธิ์เคอร์แบบไม่เชิงเส้นขนาดใหญ่10 ⁻⁷  cm ² ⋅W ⁻¹ซึ่งใหญ่กว่าไดอิเล็กทริกทั่วไปเกือบเก้าอันดับ^{[ 126 ]}แสดงให้เห็นถึงศักยภาพของมันในฐานะตัวกลางเคอร์แบบไม่เชิงเส้นที่ทรงพลังซึ่งสามารถรองรับผลกระทบแบบไม่เชิงเส้นต่างๆ รวมถึงโซลิตอน^{[ 127 ]}

การคำนวณหลักการพื้นฐานที่รวมการแก้ไขควาซิพาร์ติเคิลและผลกระทบหลายอนุภาคถูกนำมาใช้เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์และทางแสงของวัสดุที่ใช้กราฟีน วิธีการนี้ถูกอธิบายว่าเป็นสามขั้นตอน^{[ 128 ]}ด้วยการคำนวณ GW คุณสมบัติของวัสดุที่ใช้กราฟีนได้รับการตรวจสอบอย่างแม่นยำ รวมถึงกราฟีนแบบก้อน^{[ 129 ]}นาโนริบบอน [ ^{130 ] ริบ}บอนอาร์มแชร์ที่มีการปรับแต่งขอบและพื้นผิว^{[ 131 ]}ริบบอนอาร์มแชร์ที่อิ่มตัวด้วยไฮโดรเจน^{[ 132 ]}ผลกระทบของโจเซฟสันในจุดเชื่อมต่อกราฟีน SNS ที่มีข้อบกพร่องเฉพาะที่เดี่ยว^{[ 133 ]}และคุณสมบัติการปรับขนาดของริบบอนอาร์มแชร์^{[ 134 ]}

กราฟีนถือเป็นวัสดุที่เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับสปินโทรนิกส์เนื่องจากมีปฏิสัมพันธ์ระหว่างสปินกับวงโคจร น้อยมาก แทบไม่มีโมเมนต์แม่เหล็กนิวเคลียร์ในคาร์บอน และมีปฏิสัมพันธ์ไฮเปอร์ไฟน์ที่ อ่อนแอ การฉีดและการตรวจจับกระแสสปิน ด้วยไฟฟ้า ได้รับการสาธิตจนถึงอุณหภูมิห้อง^{[ 135 ] [ 136 ] [ 137 ]}โดยพบความยาวการคงตัวของสปินเกิน 1 ไมโครเมตรที่อุณหภูมินี้^{[ 135 ]}การควบคุมขั้วของกระแสสปินผ่านการควบคุมด้วยไฟฟ้าได้สำเร็จที่อุณหภูมิต่ำ^{[ 136 ]}

ปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์ของกราฟีนในสนามแม่เหล็กที่สูงกว่าประมาณ 10 เทสลา เผยให้เห็นคุณสมบัติที่น่าสนใจเพิ่มเติม มีการสังเกตที่ราบสูงเพิ่มเติมในค่าการนำไฟฟ้าฮอลล์ที่^{[ 105 ]}พร้อมกับที่ราบสูงที่^{[ 106 ]}และปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์แบบเศษส่วนที่^{[ 106 ] [ 107 ]}${\displaystyle \sigma _{xy}=\nu e^{2}/h}$${\displaystyle \nu =0,\pm {1},\pm {4}}$${\displaystyle \nu =3}$${\displaystyle \nu =1/3}$

ข้อสังเกตเหล่านี้บ่งชี้ว่าภาวะเสื่อมสี่เท่า (สองระดับหุบเขาและสองระดับสปิน) ของระดับพลังงานแลนเดาถูกยกเลิกไปบางส่วนหรือทั้งหมด สมมติฐานหนึ่งเสนอว่าการเร่งปฏิกิริยาทางแม่เหล็กของการทำลายสมมาตรเป็นสาเหตุของการยกเลิกภาวะเสื่อมนี้ ${\displaystyle \nu =0,\pm 1,\pm 3,\pm 4}$

กราฟีนแสดง คุณสมบัติ ทางสปินโทรนิกส์และแม่เหล็กพร้อมกัน^{[ 138 ]}ตาข่ายนาโนกราฟีนที่มีข้อบกพร่องต่ำซึ่งผลิตโดยใช้วิธีการที่ไม่ใช้ลิโทกราฟี แสดงให้เห็นถึงความเป็นแม่เหล็กเฟอร์โรอย่างมีนัยสำคัญแม้ที่อุณหภูมิห้อง นอกจากนี้ ยังสังเกตเห็นผลกระทบของการปั๊มสปินเมื่อใช้สนามขนานกับระนาบของตาข่ายนาโนแม่เหล็กเฟอร์โรแบบหลายชั้น ในขณะที่ วงจรฮิสเทอรีซิส ความต้านทานแม่เหล็กนั้นเห็นได้ชัดภายใต้สนามตั้งฉาก กราฟีนที่เป็นกลางทางประจุได้แสดงให้เห็นถึงความต้านทานแม่เหล็กที่เกิน 100% ในสนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยแม่เหล็กถาวรมาตรฐาน (ประมาณ 0.1 เทสลา) ซึ่งถือเป็นความต้านทานแม่เหล็กสูงสุดที่อุณหภูมิห้องในบรรดาวัสดุที่รู้จัก^{[ 139 ]}

ในปี 2010 นักวิจัยทำให้กราฟีนเป็นแม่เหล็กโดยการผลิตผ่าน CVD บนพื้นผิว Ni(111) ^{[ 140 ]}และต่อมาในปี 2014 โดยการวางกราฟีนบนชั้นของอิตเทรียมไอรอนการ์เนตแม่เหล็ก ที่เรียบระดับอะตอม ซึ่งยังคงรักษาคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีนไว้ได้โดยไม่เปลี่ยนแปลง วิธีการก่อนหน้านี้เกี่ยวข้องกับการเติมสารอื่นลงในกราฟีน^{[ 141 ]}การมีอยู่ของสารเจือปนส่งผลเสียต่อคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีน^{[ 142 ]}

ดังที่กล่าวไว้ข้างต้นความหนาแน่น (สองมิติ) ของกราฟีนคือ 0.762 มิลลิกรัมต่อตารางเมตร

กราฟีนเป็นวัสดุที่แข็งแกร่งที่สุดเท่าที่เคยมีการทดสอบมา^{[ 7 ] [ 8 ]}โดยมีความแข็งแรงดึง ที่แท้จริง 130  GPa (19,000,000  psi ) (โดยมีความแข็งแรงดึงทางวิศวกรรมที่เป็นตัวแทนประมาณ 50-60 GPa สำหรับการยืดกราฟีนอิสระพื้นที่ขนาดใหญ่) และโมดูลัสของยัง (ความแข็ง) ใกล้เคียงกับ 1  TPa (150,000,000  psi ) การประกาศรางวัลโนเบลแสดงให้เห็นสิ่งนี้โดยกล่าวว่าเปลญวนกราฟีนขนาด 1 ตารางเมตรจะสามารถรองรับน้ำหนักได้แมว หนัก 4 กิโลกรัมแต่จะมีน้ำหนักเพียงแค่เท่ากับหนวดแมวเส้นเดียวเท่านั้น0.77 มิลลิกรัม (ประมาณ 0.001% ของน้ำหนัก)กระดาษ 1 ตาราง^เมตร ) ^{[ 143 ]}

การดัดงอแผ่นกราฟีนโมโนเลเยอร์เป็นมุมกว้างด้วยความเครียดเพียงเล็กน้อยแสดงให้เห็นถึงความแข็งแกร่งทางกล แม้ภายใต้การเสียรูปอย่างรุนแรง แผ่นกราฟีนโมโนเลเยอร์ก็ยังคงรักษาความสามารถในการเคลื่อนที่ของตัวนำได้อย่างยอดเยี่ยม^{[ 144 ]}

ได้ทำการวัดค่าคงที่สปริงของแผ่นกราฟีนที่แขวนลอยโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) โดยแผ่นกราฟีนถูกแขวนลอยอยู่เหนือSiO₂₂ช่องว่างที่ใช้ปลาย AFM ในการให้แรงกดกับแผ่นเพื่อทดสอบคุณสมบัติทางกล ค่าคงที่สปริงอยู่ในช่วง 1–5 N/m และความแข็งอยู่ที่0.5 TPaซึ่งแตกต่างจากกราไฟต์แบบก้อน คุณสมบัติภายในเหล่านี้อาจนำไปสู่การใช้งาน เช่นNEMSในฐานะเซ็นเซอร์ความดันและตัวเรโซเนเตอร์^{[ 145 ]}เนื่องจากพลังงานพื้นผิวขนาดใหญ่และความยืดหยุ่นนอกระนาบ แผ่นกราฟีนแบนจึงไม่เสถียรเมื่อเทียบกับการม้วน กล่าวคือ การโค้งงอเป็นรูปทรงกระบอก ซึ่งเป็นสถานะพลังงานต่ำกว่า^{[ 146 ]}

ในโครงสร้างสองมิติเช่นกราฟีน ความผันผวนทางความร้อนและควอนตัมทำให้เกิดการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ โดยความผันผวนจะเพิ่มขึ้นแบบลอการิทึมตามขนาดของโครงสร้างตามทฤษฎีบทของเมอร์มิน-แวกเนอร์สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าแอมพลิจูดของความผันผวนที่มีความยาวคลื่นยาวจะเพิ่มขึ้นแบบลอการิทึมตามขนาดของโครงสร้าง 2 มิติ และดังนั้นจึงไม่มีขอบเขตในโครงสร้างที่มีขนาดอนันต์ การเสียรูปเฉพาะที่และความเครียดแบบยืดหยุ่นได้รับผลกระทบน้อยมากจากการเบี่ยงเบนระยะไกลในการเคลื่อนที่สัมพัทธ์นี้ เชื่อกันว่าโครงสร้าง 2 มิติที่มีขนาดใหญ่เพียงพอ ในกรณีที่ไม่มีแรงดึงด้านข้างที่ใช้ จะโค้งงอและย่นเพื่อสร้างโครงสร้าง 3 มิติที่ผันผวน นักวิจัยได้สังเกตเห็นระลอกคลื่นในชั้นกราฟีนที่แขวนลอย^{[ 36 ]}และมีการเสนอว่าระลอกคลื่นเกิดจากความผันผวนทางความร้อนในวัสดุ อันเป็นผลจากการเสียรูปไดนามิกเหล่านี้ จึงเป็นที่ถกเถียงกันว่ากราฟีนเป็นโครงสร้าง 2 มิติอย่างแท้จริงหรือไม่^{[ 2 ] [ 67 ] [ 68 ] [ 147 ] [ 148 ]}เมื่อคลื่นเหล่านี้ถูกขยายโดยข้อบกพร่องของช่องว่าง จะเหนี่ยวนำให้เกิดอัตราส่วนปัวซอง เชิงลบ ในกราฟีน ส่งผลให้ วัสดุ ออเซติก บางที่สุด เท่าที่รู้จักในปัจจุบัน^{[ 149 ]}

คอมโพสิตกราฟีน-นิกเกิล (Ni) ที่สร้างขึ้นผ่านกระบวนการชุบ มีคุณสมบัติทางกลที่ดีขึ้นเนื่องจากปฏิกิริยา Ni-กราฟีนที่แข็งแกร่งช่วยยับยั้งการเลื่อนของดิสโลเคชันในเมทริกซ์ Ni ^{[ 150 ]}

ในปี 2014 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยไรซ์และสถาบันเทคโนโลยีจอร์เจียได้ระบุว่า แม้จะมีความแข็งแรง แต่กราฟีนก็ค่อนข้างเปราะโดยมีค่าความเหนียวแตกหักประมาณ 4 MPa√m ^{[ 151 ]}ซึ่งแสดงให้เห็นว่ากราฟีนที่ไม่สมบูรณ์มีแนวโน้มที่จะแตกในลักษณะที่เปราะเหมือนวัสดุเซรามิกตรงกันข้ามกับวัสดุโลหะ หลายชนิด ซึ่งมักมีค่าความเหนียวแตกหักอยู่ในช่วง 15–50 MPa√m ต่อมาในปี 2014 ทีมงานจากมหาวิทยาลัยไรซ์ได้ประกาศว่ากราฟีนแสดงให้เห็นถึงความสามารถในการกระจายแรงจากการกระแทกได้มากกว่าวัสดุใดๆ ที่รู้จักกัน โดยมากกว่าเหล็กถึงสิบเท่าต่อหน่วยน้ำหนัก^{[ 152 ]}แรงถูกส่งผ่านด้วยความเร็ว 22.2 กิโลเมตรต่อวินาที (13.8 ไมล์/วินาที) ^{[ 153 ]}

มีการพัฒนาวิธีการต่างๆ มากมาย โดยเฉพาะอย่างยิ่งการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) ดังที่ได้กล่าวไว้ในส่วนถัดไป เพื่อผลิตกราฟีนขนาดใหญ่ที่จำเป็นสำหรับการใช้งานอุปกรณ์ วิธีการดังกล่าวมักจะสังเคราะห์กราฟีนแบบผลึกหลายเหลี่ยม ^{[ 154 ]}คุณสมบัติทางกลของกราฟีนแบบผลึกหลายเหลี่ยมได้รับผลกระทบจากลักษณะของข้อบกพร่อง เช่นขอบเกรน (GB)และช่องว่างที่มีอยู่ในระบบและขนาดเกรนเฉลี่ย

โดยทั่วไปแล้ว ขอบเกรนของกราฟีนจะมีคู่ของรูปเจ็ดเหลี่ยมและห้าเหลี่ยม การจัดเรียงของข้อบกพร่องดังกล่าวขึ้นอยู่กับว่าขอบเกรนอยู่ในทิศทางซิกแซกหรืออาร์มแชร์ นอกจากนี้ยังขึ้นอยู่กับมุมเอียงของขอบเกรนด้วย^{[ 155 ]}ในปี 2010 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยบราวน์ได้ทำนายโดยใช้การคำนวณว่าเมื่อมุมเอียงเพิ่มขึ้น ความแข็งแรงของขอบเกรนก็จะเพิ่มขึ้นด้วย พวกเขาแสดงให้เห็นว่าจุดอ่อนที่สุดในขอบเกรนอยู่ที่พันธะวิกฤตของวงแหวนรูปเจ็ดเหลี่ยม เมื่อมุมของขอบเกรนเพิ่มขึ้น ความเครียดในวงแหวนรูปเจ็ดเหลี่ยมเหล่านี้จะลดลง ทำให้ขอบเกรนแข็งแรงกว่าขอบเกรนที่มีมุมต่ำกว่า พวกเขาเสนอว่าในความเป็นจริงแล้ว สำหรับขอบเกรนที่มีมุมใหญ่เพียงพอ ความแข็งแรงของขอบเกรนจะคล้ายกับกราฟีนบริสุทธิ์^{[ 156 ]}ในปี 2012 ได้มีการแสดงให้เห็นเพิ่มเติมว่าความแข็งแรงสามารถเพิ่มขึ้นหรือลดลงได้ ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงโดยละเอียดของข้อบกพร่อง^{[ 157 ]}การทำนายเหล่านี้ได้รับการสนับสนุนจากหลักฐานเชิงทดลองแล้ว ในการศึกษาเมื่อปี 2556 ที่นำโดยกลุ่มของ James Hone นักวิจัยได้ตรวจสอบความแข็งและความแข็งแรงของกราฟีนที่ปลูกด้วยวิธี CVD โดยการรวมการทดสอบการกดแบบนาโนและTEM ความละเอียดสูง พวกเขาพบว่าความแข็งนั้นเหมือนกัน และความแข็งแรงต่ำกว่ากราฟีนบริสุทธิ์เพียงเล็กน้อย^{[ 158 ]}ในปีเดียวกันนั้น นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย เบิร์กลีย์และมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ลอสแอนเจลิสได้ตรวจสอบกราฟีนแบบผลึกคู่ด้วยTEMและAFMพวกเขาพบว่าความแข็งแรงของขอบเกรนมีแนวโน้มที่จะเพิ่มขึ้นตามมุมเอียง^{[ 159 ]}

แม้ว่าการมีอยู่ของช่องว่างจะไม่ใช่เรื่องแปลกในกราฟีนแบบผลึกหลายเหลี่ยม แต่ช่องว่างเหล่านี้สามารถส่งผลกระทบอย่างมากต่อความแข็งแรงของกราฟีนได้ โดยทั่วไปแล้วความแข็งแรงจะลดลงเมื่อความหนาแน่นของช่องว่างเพิ่มขึ้น การศึกษาต่างๆ แสดงให้เห็นว่าสำหรับกราฟีนที่มีความหนาแน่นของช่องว่างต่ำเพียงพอ ความแข็งแรงจะไม่แตกต่างจากกราฟีนบริสุทธิ์มากนัก ในทางกลับกัน ความหนาแน่นของช่องว่างที่สูงสามารถลดความแข็งแรงของกราฟีนได้อย่างมาก^{[ 160 ]}

เมื่อเปรียบเทียบกับธรรมชาติของผลกระทบที่ขอบเกรนและช่องว่างมีต่อคุณสมบัติทางกลของกราฟีนซึ่งค่อนข้างเข้าใจกันดีแล้ว ยังไม่มีข้อสรุปที่ชัดเจนเกี่ยวกับผลกระทบโดยทั่วไปของขนาดเกรนเฉลี่ยที่มีต่อความแข็งแรงของกราฟีนแบบผลึกหลายเหลี่ยม^{[ 161 ] [ 160 ] [ 162 ]}อันที่จริง การศึกษาเชิงทฤษฎีหรือการคำนวณที่โดดเด่นสามเรื่องในหัวข้อนี้ได้นำไปสู่ข้อสรุปที่แตกต่างกันสามประการ^{[ 163 ] [ 164 ] [ 165 ]}ประการแรก ในปี 2012 Kolakowski และ Myer ได้ศึกษาคุณสมบัติทางกลของกราฟีนแบบผลึกหลายเหลี่ยมด้วย "แบบจำลองอะตอมที่สมจริง" โดยใช้ การจำลอง พลศาสตร์โมเลกุล (MD) เพื่อจำลองกลไกการเติบโตของ CVD พวกเขาได้เลือก ตำแหน่งการเกิด นิวเคลียส แบบสุ่ม ซึ่งอยู่ห่างจากตำแหน่งอื่นอย่างน้อย 5 Å (เลือกโดยพลการ) กราฟีนแบบผลึกหลายเหลี่ยมถูกสร้างขึ้นจากตำแหน่งการเกิดนิวเคลียสเหล่านี้และถูกอบที่อุณหภูมิ 3000 K จากนั้นจึงทำให้เย็นตัวอย่างรวดเร็ว จากแบบจำลองนี้ พวกเขาพบว่ารอยแตกเริ่มต้นที่จุดเชื่อมต่อขอบเกรน แต่ขนาดของเกรนไม่ได้ส่งผลกระทบต่อความแข็งแรงอย่างมีนัยสำคัญ^{[ 163 ]}ประการที่สอง ในปี 2556 Z. Song และคณะ ได้ใช้การจำลอง MD เพื่อศึกษาคุณสมบัติทางกลของกราฟีนแบบผลึกหลายเกรนที่มีขนาดเกรนรูปหกเหลี่ยมที่สม่ำเสมอ เกรนรูปหกเหลี่ยมมีการวางแนวในทิศทางแลตติสต่างๆ และขอบเกรนประกอบด้วยวงแหวนคาร์บอนรูปเจ็ดเหลี่ยม ห้าเหลี่ยม และหกเหลี่ยมเท่านั้น แรงจูงใจเบื้องหลังแบบจำลองดังกล่าวคือระบบที่คล้ายกันนี้ได้รับการสังเกตจากการทดลองในแผ่นกราฟีนที่เติบโตบนพื้นผิวของทองแดงเหลว ในขณะที่พวกเขายังตั้งข้อสังเกตว่ารอยแตกมักจะเริ่มต้นที่จุดเชื่อมต่อสามจุด พวกเขาพบว่าเมื่อขนาดของเกรนลดลง ความแข็งแรงของกราฟีนจะเพิ่มขึ้น จากการค้นพบนี้ พวกเขาเสนอว่ากราฟีนแบบผลึกหลายเกรนเป็นไปตามความสัมพันธ์แบบ pseudo Hall-Petch [ ^{164 ] ประการ}ที่สาม ในปี 2556 ZD Sha และคณะ ศึกษาผลของขนาดเกรนต่อคุณสมบัติของกราฟีนผลึกหลายเหลี่ยม โดยสร้างแบบจำลองกลุ่มเกรนโดยใช้การสร้างแบบโวโรนอยขอบเขตเกรนในแบบจำลองนี้ประกอบด้วยรูปเจ็ดเหลี่ยม ห้าเหลี่ยม และหกเหลี่ยม รวมถึงรูปสี่เหลี่ยม แปดเหลี่ยม และช่องว่าง ผ่านการจำลอง MD ตรงกันข้ามกับการศึกษาที่กล่าวมาข้างต้น พวกเขาพบความสัมพันธ์แบบผกผันของฮอลล์-เพทช์ ซึ่งความแข็งแรงของกราฟีนจะเพิ่มขึ้นเมื่อขนาดเกรนเพิ่มขึ้น^{[ 165 ]}การสังเกตการณ์เชิงทดลองและการคาดการณ์ทางทฤษฎีอื่นๆ ก็ให้ข้อสรุปที่แตกต่างกันเช่นกัน คล้ายกับสามข้อที่กล่าวมาข้างต้น^{[ 162 ]}ความคลาดเคลื่อนดังกล่าวแสดงให้เห็นถึงความซับซ้อนของผลกระทบที่ขนาดของเกรน การจัดเรียงของข้อบกพร่อง และลักษณะของข้อบกพร่องมีต่อคุณสมบัติทางกลของกราฟีนแบบผลึกหลายเหลี่ยม

การถ่ายเทความร้อนในกราฟีนเป็นหัวข้อการวิจัยที่กำลังเติบโต โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านการประยุกต์ใช้ในการจัดการความร้อน การวัดเชิงทดลองส่วนใหญ่มีความไม่แน่นอนสูงในผลลัพธ์ของค่าการนำความร้อนเนื่องจากข้อจำกัดของเครื่องมือที่ใช้ จากการคาดการณ์สำหรับกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอน ที่เกี่ยวข้อง [ ^{166 ]} การวัด ค่าการนำความร้อน ของกราฟีนแบบแขวนลอย ในช่วงแรกๆ รายงานว่ามีค่าการนำความร้อนสูง ^เป็นพิเศษถึง5300 W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹ , ^{[ 167 ]}เมื่อเปรียบเทียบกับค่าการนำความร้อนของกราไฟต์ ไพโรไลติก ประมาณ2000 W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹ที่อุณหภูมิห้อง^{[ 168 ]}อย่างไรก็ตาม การศึกษาในภายหลังส่วนใหญ่เกี่ยวกับกราฟีนที่มีขนาดที่ใหญ่กว่าแต่มีข้อบกพร่องมากกว่าซึ่งได้มาจากการตกตะกอนไอสารเคมีนั้นไม่สามารถสร้างการวัดค่าการนำความร้อนสูงเช่นนี้ได้ ทำให้ได้ค่าการนำความร้อนที่หลากหลายระหว่าง1500 –2500 W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹สำหรับกราฟีนชั้นเดียวแบบแขวนลอย^{[ 169 ] [ 170 ] [ 171 ] [ 172 ]}ช่วงกว้างของค่าการนำความร้อนที่รายงานอาจเกิดจากความไม่แน่นอนในการวัดที่สูง รวมถึงความแปรผันในคุณภาพของกราฟีนและเงื่อนไขการประมวลผล นอกจากนี้ เป็นที่ทราบกันดีว่าเมื่อกราฟีนชั้นเดียวถูกรองรับบนวัสดุอสัณฐาน ค่าการนำความร้อนจะลดลงเหลือประมาณ500 –600 W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹ที่อุณหภูมิห้อง อันเป็นผลมาจากการกระเจิงของคลื่นแลตติซกราฟีนโดยพื้นผิว^{[ 173 ] [ 174 ]}และอาจต่ำกว่านี้ได้อีกสำหรับกราฟีนหลายชั้นที่ห่อหุ้มด้วยออกไซด์อสัณฐาน^{[ 175 ]}ในทำนองเดียวกัน สารตกค้างของพอลิเมอร์สามารถส่งผลให้ค่าการนำความร้อนของกราฟีนที่แขวนลอยลดลงในลักษณะเดียวกันได้ประมาณ500 –600 W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹สำหรับกราฟีนสองชั้น^{[ 176 ]}

องค์ประกอบไอโซโทป โดยเฉพาะอัตราส่วนของ^12Cต่อ^13C มีผล อย่างมากต่อการนำความร้อนของกราฟี น กราฟีน ^12C ที่ บริสุทธิ์ทางไอโซโทป แสดงการนำความร้อนที่สูงกว่าทั้งอัตราส่วนไอโซโทป 50:50 หรืออัตราส่วน 99:1 ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติ^{[ 177 ]}สามารถแสดงได้โดยใช้กฎของ Wiedemann–Franzว่าการนำความร้อนนั้นถูก_{ครอบงำโดยโฟนอน [ 167 ] อย่างไรก็ตาม สำหรับแถบกราฟีนที่มีเกต ไบแอสเกตที่ใช้ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงพลังงานเฟอร์มิที่มากกว่า kBT}มากอาจ^{ทำให้ส่วนประกอบอิเล็กทรอนิกส์}เพิ่มขึ้นและครอบงำส่วนประกอบโฟนอนที่อุณหภูมิต่ำ การนำความร้อนแบบบัลลิสติกของกราฟีนเป็นแบบไอโซโทรปิก^{[ 178 ] [ 179 ]}

กราไฟต์ ซึ่งเป็นโครงสร้างสามมิติที่คล้ายกับกราฟีน มีค่าการนำความร้อนที่ระนาบฐาน สูงกว่าค่าหนึ่ง1000 W⋅m ⁻¹ ⋅K ⁻¹ (คล้ายกับเพชร ) ในกราไฟต์ ค่าการนำความร้อนตามแกน c (นอกระนาบ) มีค่าน้อยกว่าประมาณ 100 เท่า เนื่องจากแรงยึดเหนี่ยวที่อ่อนแอระหว่างระนาบฐาน รวมถึงระยะห่างของแลตติสที่ มากขึ้น ^{[ 180 ]}นอกจากนี้ ยังแสดงให้เห็นว่าค่าการนำความร้อนแบบบัลลิสติกของกราฟีนให้ค่าต่ำสุดของค่าการนำความร้อนแบบบัลลิสติกต่อหน่วยความยาวของเส้นรอบวงของท่อนาโนคาร์บอน^{[ 181 ]}

การนำความร้อนของกราฟีนได้รับอิทธิพลจาก โหมด โฟนอนอะคูสติก สามโหมด ได้แก่ โหมด ระนาบสองโหมดที่มีความสัมพันธ์การกระจายเชิงเส้น (LA, TA) และโหมดนอกระนาบหนึ่งโหมดที่มีความสัมพันธ์การกระจายกำลังสอง (ZA) ที่อุณหภูมิต่ำ การนำความร้อนของโหมดนอกระนาบที่ มีค่า T ^{1.5 จะมีอิทธิพลเหนือกว่าการพึ่งพาค่า} T ²ของโหมดเชิงเส้น^{[ 181 ]} แถบ โฟนอนของกราฟีนบางแถบแสดงค่าพารามิเตอร์ Grüneisen ติดลบ [ ^{182 ]}ส่งผลให้ค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อนเป็น^ลบ ที่อุณหภูมิต่ำ ค่าพารามิเตอร์ Grüneisen ติดลบที่ต่ำที่สุดจะสอดคล้องกับโหมดอะคูสติกตามขวาง ZA ที่ต่ำที่สุด ซึ่งความถี่จะเพิ่มขึ้นตาม พารามิเตอร์แลตติซในระนาบคล้ายกับสายที่ยืดออกซึ่งมีการสั่นสะเทือนที่ความถี่สูงขึ้น^{[ 183 ]}

กราฟีนมีพื้นที่ผิวจำเพาะ (SSA) ตามทฤษฎีเท่ากับ2630  ตร.ม. /กรัมซึ่งมากกว่าค่าที่รายงานไว้สำหรับคาร์บอนแบล็กในปัจจุบันมาก (โดยทั่วไปจะน้อยกว่า⁾900  ตร.ม. /กรัม⁾หรือสำหรับท่อนาโนคาร์บอน (CNTs) จาก ≈100 ถึง1000  m² ^/ gและคล้ายกับถ่านกัมมันต์ [ ^{184 ] ก} ราฟีนเป็นคาร์บอน (หรือวัสดุแข็ง) รูปแบบเดียวที่อะตอมทุกตัวสามารถทำปฏิกิริยาเคมีได้จากสองด้าน (เนื่องจากโครงสร้าง 2 มิติ) อะตอมที่ขอบของแผ่นกราฟีนมีปฏิกิริยาเคมีพิเศษ กราฟีนมีอัตราส่วนของอะตอมที่ขอบสูงที่สุดในบรรดาอัลโลโทรป ทั้งหมด ข้อบกพร่องภายในแผ่นจะเพิ่มปฏิกิริยาเคมี^{[ 185 ]}อุณหภูมิเริ่มต้นของปฏิกิริยาระหว่างระนาบฐานของกราฟีนชั้นเดียวและก๊าซออกซิเจนต่ำกว่า 260 °C (530 K) ^{[ 186 ]}กราฟีนจะไหม้ที่อุณหภูมิต่ำมาก (เช่น 350 °C (620 K)) ^{[ 187 ]} กราฟีนมักถูกดัดแปลงด้วย หมู่ฟังก์ชันที่มีออกซิเจนและไนโตรเจนและวิเคราะห์โดยสเปกโทรสโกปีอินฟราเรดและสเปกโทรสโกปีโฟโตอิเล็กตรอนเอ็กซ์เรย์ อย่างไรก็ตาม การกำหนดโครงสร้างของกราฟีนที่มีหมู่ฟังก์ชันออกซิเจน^{[ 188 ]}และไนโตรเจน^{[ 189 ]}จำเป็นต้องมีการควบคุมโครงสร้างอย่างดี

ในปี 2013 นักฟิสิกส์ จากมหาวิทยาลัยสแตนฟอร์ดรายงานว่ากราฟีนชั้นเดียวมีปฏิกิริยาทางเคมีมากกว่าแผ่นกราฟีนหลายชั้นที่หนากว่าถึงร้อยเท่า^{[ 190 ]}

กราฟีนสามารถซ่อมแซมรูบนแผ่นของตัวเองได้ เมื่อสัมผัสกับโมเลกุลที่มีคาร์บอน เช่นไฮโดรคาร์บอนเมื่อถูกโจมตีด้วยอะตอมคาร์บอนบริสุทธิ์ อะตอมจะเรียงตัวเป็นรูปหกเหลี่ยม อย่างสมบูรณ์แบบ และเติมเต็มรู^{[ 191 ] [ 192 ]}

แม้จะมีผลลัพธ์ที่น่าสนใจในการศึกษาเซลล์ต่างๆ และการศึกษาการพิสูจน์แนวคิด แต่ก็ยังมีความเข้าใจที่ไม่สมบูรณ์เกี่ยวกับความเข้ากันได้ทางชีวภาพของวัสดุที่ใช้กราฟีน^{[ 193 ]}เซลล์สายพันธุ์ต่างๆ มีปฏิกิริยาแตกต่างกันเมื่อสัมผัสกับกราฟีน และพบว่าขนาดด้านข้างของแผ่นกราฟีน รูปทรง และเคมีพื้นผิวสามารถกระตุ้นการตอบสนองทางชีวภาพที่แตกต่างกันในเซลล์สายพันธุ์เดียวกันได้^{[ 194 ]}

มีข้อบ่งชี้ว่ากราฟีนมีศักยภาพที่จะเป็นวัสดุที่มีประโยชน์สำหรับการโต้ตอบกับเซลล์ประสาท การศึกษาเกี่ยวกับเซลล์ประสาทที่เพาะเลี้ยงแสดงให้เห็นถึงความสำเร็จที่จำกัด^{[ 195 ] [ 196 ]}

กราฟีนยังมีประโยชน์บางอย่างในการสร้างกระดูกนักวิจัยที่ศูนย์วิจัยกราฟีนแห่งมหาวิทยาลัยแห่งชาติสิงคโปร์ (NUS) ค้นพบในปี 2011 ว่ากราฟีนสามารถเร่งการเปลี่ยนแปลงของเซลล์ต้นกำเนิดมีเซนไคม์ของมนุษย์ไปเป็นเซลล์ สร้างกระดูกได้ โดยไม่ต้องใช้สารกระตุ้นทางชีวเคมี^{[ 197 ]}

กราฟีนสามารถใช้ในไบโอเซนเซอร์ได้ ในปี 2558 นักวิจัยได้แสดงให้เห็นว่าเซนเซอร์ที่ใช้กราฟีนสามารถใช้ตรวจจับไบโอมาร์กเกอร์ความเสี่ยงมะเร็งได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การใช้กราฟีนแบบเอพิเท็กเซียลบนซิลิคอนคาร์ไบด์ ทำให้พวกเขาสามารถตรวจจับ 8-ไฮดรอกซีดีออกซีไกวโนซีน (8-OHdG) ซึ่งเป็นไบโอมาร์กเกอร์ความเสียหายของ DNA ได้ซ้ำๆ^{[ 198 ]}

คุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีนสามารถได้รับอิทธิพลอย่างมากจากพื้นผิวรองรับ มีการศึกษาเกี่ยวกับกราฟีนชั้นเดียวบนพื้นผิวซิลิคอน (100) ที่สะอาดและเคลือบด้วยไฮโดรเจน (H) (Si(100)/H) ^{[ 199 ]}พื้นผิว Si(100)/H ไม่รบกวนคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีน ในขณะที่ปฏิสัมพันธ์ระหว่างพื้นผิว Si(100) ที่สะอาดกับกราฟีนจะเปลี่ยนสถานะทางอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีนอย่างมีนัยสำคัญ ผลกระทบนี้เกิดจากพันธะโควาเลนต์ระหว่างอะตอม C และอะตอม Si บนพื้นผิว ซึ่งปรับเปลี่ยนเครือข่ายวงโคจร π ของชั้นกราฟีน ความหนาแน่นของสถานะเฉพาะที่แสดงให้เห็นว่าสถานะพื้นผิว C และ Si ที่เชื่อมต่อกันนั้นถูกรบกวนอย่างมากใกล้กับพลังงานเฟอร์มิ

ในปี 2013 กลุ่มนักวิทยาศาสตร์ชาวโปแลนด์ได้นำเสนอหน่วยการผลิตที่ช่วยให้สามารถผลิตแผ่นโมโนเลเยอร์ต่อเนื่องได้^{[ 200 ]}กระบวนการนี้ขึ้นอยู่กับการเติบโตของกราฟีนบนเมทริกซ์โลหะเหลว^{[ 201 ]}ผลิตภัณฑ์ของกระบวนการนี้เรียกว่ากราฟีนโลหะวิทยาความแข็งแรงสูงในการศึกษาใหม่ที่ตีพิมพ์ใน Nature นักวิจัยได้ใช้อิเล็กโทรดกราฟีนชั้นเดียวและเทคนิคสเปกโทรสโกปีแบบไม่เชิงเส้นที่ไวต่อพื้นผิวแบบใหม่เพื่อตรวจสอบชั้นน้ำบนสุดที่พื้นผิวที่มีประจุไฟฟ้าเคมี พวกเขาพบว่าการตอบสนองของน้ำที่ส่วนต่อประสานต่อสนามไฟฟ้าที่ใช้มีความไม่สมมาตรเกี่ยวกับลักษณะของสนามที่ใช้^{[ 202 ]}

กราฟีนสองชั้นแสดงปรากฏการณ์ควอนตัมฮอลล์ที่ผิดปกติช่องว่างแถบพลังงานที่ปรับได้^{[ 203 ]}และศักยภาพในการควบแน่นของเอ็กซิตอน^{[ 204 ]}  ทำให้เป็นตัวเลือกที่น่าสนใจสำหรับ การใช้งานด้าน ออปโตอิเล็กทรอนิกส์และนาโนอิเล็กทรอนิกส์โดยทั่วไปแล้วกราฟีนสองชั้นสามารถพบได้ใน รูปแบบ บิดเกลียวซึ่งทั้งสองชั้นหมุนสัมพันธ์กัน หรือในรูปแบบเรียงซ้อนแบบเบอร์นัลกราไฟต์ซึ่งอะตอมครึ่งหนึ่งในชั้นหนึ่งวางอยู่บนอะตอมครึ่งหนึ่งในอีกชั้นหนึ่ง^{[ 205 ]}ลำดับการเรียงซ้อนและการวางแนวจะควบคุมคุณสมบัติทางแสงและอิเล็กทรอนิกส์ของกราฟีนสองชั้น

วิธีหนึ่งในการสังเคราะห์กราฟีนสองชั้นคือผ่านการตกตะกอนไอสารเคมีซึ่งสามารถสร้างบริเวณสองชั้นขนาดใหญ่ที่สอดคล้องกับรูปทรงเรขาคณิตของ Bernal stack เกือบทั้งหมด^{[ 205 ]}

ได้มีการแสดงให้เห็นแล้วว่าชั้นกราฟีนทั้งสองชั้นสามารถทนต่อแรงดึงหรือความไม่ตรงกันของการเจือปนที่สำคัญได้^{[ 206 ]}ซึ่งในที่สุดควรจะนำไปสู่การหลุดลอกของชั้นกราฟีน

กราฟีนเทอร์โบสแตรติกแสดงให้เห็นการเชื่อมต่อระหว่างชั้นที่อ่อนแอ และระยะห่างจะเพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกราฟีนหลายชั้นแบบเรียงซ้อนเบอร์นัล การจัดเรียงที่ไม่ตรงกันของการหมุนช่วยรักษาโครงสร้างอิเล็กทรอนิกส์ 2 มิติ ดังที่ได้รับการยืนยันโดยสเปกโทรสโกปีรามาน [ ^{207 ] พี}ค D อ่อนมาก ในขณะที่พีค 2D และ G ยังคงเด่นชัด^{[ 207 ]}

ลักษณะที่ค่อนข้างแปลกประหลาดคืออัตราส่วน I _2D /I _Gสามารถเกิน 10 ได้ อย่างไรก็ตาม สิ่งสำคัญที่สุดคือไม่มีพีค M ซึ่งเกิดจากการเรียงซ้อนแบบ AB ในขณะที่โหมด TS ₁และ TS ₂สามารถมองเห็นได้ในสเปกตรัมรามาน [ ^{208 ] [ 209 ] วัสดุ}นี้เกิดขึ้นจากการเปลี่ยนคาร์บอนที่ไม่ใช่กราฟีนให้เป็นคาร์บอนกราฟีนโดยไม่ต้องให้พลังงานเพียงพอที่จะทำให้เกิดการจัดเรียงใหม่ผ่านการอบอ่อนของชั้นกราฟีนที่อยู่ติดกันให้กลายเป็นโครงสร้างกราไฟต์ผลึก

กราฟีนที่เรียงซ้อนกันเป็นระยะและไอโซมอร์ฟที่เป็นฉนวนของมันเป็นองค์ประกอบโครงสร้างที่น่าสนใจในการสร้างซูเปอร์แลตติสที่มีฟังก์ชันการทำงานสูงในระดับอะตอม ซึ่งเปิดโอกาสสำหรับการออกแบบอุปกรณ์นาโนอิเล็กทรอนิกส์และโฟตอนิกส์ สามารถสร้างซูเปอร์แลตติสประเภทต่างๆ ได้โดยการเรียงซ้อนกราฟีนและรูปแบบที่เกี่ยวข้อง^{[ 210 ]}พบว่าแถบพลังงานในซูเปอร์แลตติสที่เรียงซ้อนกันนั้นมีความไวต่อความกว้างของสิ่งกีดขวางมากกว่าในซูเปอร์แลตติสเซมิคอนดักเตอร์ III–V ทั่วไป เมื่อเพิ่มชั้นอะตอมมากกว่าหนึ่งชั้นให้กับสิ่งกีดขวางในแต่ละคาบ การเชื่อมต่อของฟังก์ชันคลื่นอิเล็กตรอนในบ่อศักย์ที่อยู่ใกล้เคียงสามารถลดลงได้อย่างมาก ซึ่งนำไปสู่การเสื่อมสภาพของแถบย่อยต่อเนื่องไปเป็นระดับพลังงานควอนตัม เมื่อเปลี่ยนความกว้างของบ่อ ระดับพลังงานในบ่อศักย์ตามทิศทาง LM จะมีพฤติกรรมที่แตกต่างจากระดับพลังงานตามทิศทาง KH

ซูเปอร์แลตติสสอดคล้องกับการจัดเรียงแบบเป็นคาบหรือกึ่งเป็นคาบของวัสดุที่แตกต่างกัน และสามารถอธิบายได้ด้วยคาบของซูเปอร์แลตติสซึ่งมอบสมมาตรการแปลแบบใหม่ให้กับระบบ ส่งผลกระทบต่อการกระจายตัวของโฟนอนและคุณสมบัติการขนส่งความร้อนในภายหลัง เมื่อเร็วๆ นี้ โครงสร้างกราฟีน-hBN แบบชั้นเดียวที่สม่ำเสมอได้รับการสังเคราะห์สำเร็จผ่านการสร้างลวดลายด้วยลิโทกราฟีควบคู่กับการตกตะกอนไอสารเคมี (CVD) ^{[ 211 ]}นอกจากนี้ ซูเปอร์แลตติสของกราฟีน-HBN ยังเป็นระบบแบบจำลองที่เหมาะสมสำหรับการตระหนักรู้และทำความเข้าใจการขนส่งความร้อนของโฟนอนแบบสอดคล้องกัน (คล้ายคลื่น) และไม่สอดคล้องกัน (คล้ายอนุภาค) ^{[ 212 ] [ 213 ] [ 214 ] [ 215 ] [ 216 ]}

นาโนริบบอนกราฟีน ("นาโนสไตรป์" ในทิศทาง "ซิกแซก"/"ซิกแซก") ที่อุณหภูมิต่ำ แสดงให้เห็นกระแสขอบโลหะที่มีการโพลาไรซ์สปิน ซึ่งชี้ให้เห็นถึงการประยุกต์ใช้ในสาขาใหม่ของสปินโทรนิกส์ (ในทิศทาง "อาร์มแชร์" ขอบจะมีพฤติกรรมเหมือนสารกึ่งตัวนำ^{[ 72 ]} )

จุดควอนตัมกราฟีน (GQD) คือชิ้นส่วนกราฟีนที่มีขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตร คุณสมบัติของ GQD แตกต่างจากกราฟีนแบบก้อนเนื่องจากผลกระทบของการกักขังควอนตัมซึ่งจะปรากฏชัดเจนเมื่อขนาดเล็กกว่า 100 นาโนเมตร^{[ 217 ] [ 218 ] [ 219 ]}

โดยทั่วไปแล้วกราฟีนออกไซด์จะผลิตขึ้นโดยการแยกกราไฟต์ด้วยกระบวนการทางเคมี เทคนิคที่ได้รับความนิยมเป็นพิเศษคือวิธี Hummers ที่ได้รับการปรับปรุง[ 220 ^{]การใช้}เทคนิคการทำกระดาษกับกราไฟต์ที่กระจายตัว ออกซิไดซ์ และผ่านกระบวนการทางเคมีในน้ำ เกล็ดโมโนเลเยอร์จะก่อตัวเป็นแผ่นเดียวและสร้างพันธะที่แข็งแรง แผ่นเหล่านี้เรียกว่ากระดาษกราฟีนออกไซด์มีค่าโมดูลัสแรง ดึงที่วัด ได้32 GPa ^{[ 221 ]}คุณสมบัติทางเคมีของกราไฟต์ออกไซด์เกี่ยวข้องกับหมู่ฟังก์ชันที่ติดอยู่กับแผ่นกราฟีน ซึ่งสามารถเปลี่ยนแปลง เส้นทาง การเกิดพอลิเมอไรเซชันและกระบวนการทางเคมีที่คล้ายกันได้^{[ 222 ]}เกล็ดกราฟีนออกไซด์ในพอลิเมอร์แสดงคุณสมบัติการนำแสงที่ดีขึ้น^{[ 223 ]}โดยปกติกราฟีนจะไม่ชอบน้ำและไม่สามารถซึมผ่านก๊าซและของเหลวทุกชนิดได้ (สุญญากาศ) อย่างไรก็ตาม เมื่อขึ้นรูปเป็นเยื่อแคปิลลารีที่ทำจากกราฟีนออกไซด์ ทั้งน้ำเหลวและไอน้ำจะไหลผ่านได้เร็วราวกับว่าไม่มีเยื่ออยู่^{[ 224 ]}

ในปี 2022 นักวิจัยได้ประเมินผลทางชีวภาพของกราฟีนออกไซด์ในปริมาณต่ำต่อตัวอ่อนและตัวเต็มวัยของแมลงหวี่Drosophila melanogasterผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าการให้กราฟีนออกไซด์ทางปากในความเข้มข้น 0.02-1% มีผลดีต่ออัตราการเจริญเติบโตและความสามารถในการฟักไข่ของตัวอ่อน การให้กราฟีนออกไซด์ในปริมาณต่ำในระยะยาวช่วยยืดอายุขัยของแมลงหวี่และเพิ่มความต้านทานต่อความเครียดจากสิ่งแวดล้อมอย่างมีนัยสำคัญ สิ่งเหล่านี้ชี้ให้เห็นว่ากราฟีนออกไซด์มีผลต่อการเผาผลาญคาร์โบไฮเดรตและไขมันในแมลงหวี่ตัวเต็มวัย ผลการค้นพบเหล่านี้อาจเป็นข้อมูลอ้างอิงที่มีประโยชน์ในการประเมินผลทางชีวภาพของกราฟีนออกไซด์ ซึ่งอาจมีบทบาทสำคัญในการประยุกต์ใช้ทางชีวการแพทย์ที่ใช้กราฟีนหลากหลายประเภท^{[ 225 ]}

ชิ้นส่วนกราฟีนที่ละลายได้สามารถเตรียมได้ในห้องปฏิบัติการผ่านการดัดแปลงทางเคมีของกราไฟต์^{[ 226 ]}ขั้นแรก กราไฟต์ไมโครคริสตัลไลน์จะถูกบำบัดด้วยส่วนผสมของกรดซัลฟิวริกและกรดไนตริกชุดของขั้นตอนการออกซิเดชันและการแยกชั้นจะสร้างแผ่นกราฟีนขนาดเล็กที่มี หมู่ คาร์บอกซิลที่ขอบ ซึ่งจะถูกแปลงเป็น หมู่ กรดคลอไรด์โดยการบำบัดด้วยไทโอนิลคลอไรด์จากนั้นจะถูกแปลงเป็นกราฟีนอะไมด์ ที่สอดคล้องกัน โดยการบำบัดด้วยออกตาเดซิลอะมีน วัสดุที่ได้ (ชั้นกราฟีนทรงกลมที่มีความหนา 5.3  Åหรือ 5.3 × 10 ⁻¹⁰  ม. ) สามารถละลายได้ในเตตระไฮโดรฟิวแรน เตตระคลอโรมีเทนและไดคลอโรอีเทน

การให้ความร้อนแบบรี ฟลักซ์ของกราฟีนออกไซด์ชั้นเดียว (SLGO) ในตัวทำละลายส่งผลให้ขนาดลดลงและการพับงอของแผ่นแต่ละแผ่น รวมถึงการสูญเสียฟังก์ชันการทำงานของหมู่คาร์บอกซิลิกได้มากถึง 20% ซึ่งบ่งชี้ถึงความไม่เสถียรทางความร้อนของแผ่น SLGO ที่ขึ้นอยู่กับวิธีการเตรียม เมื่อใช้ไทโอนิลคลอไรด์ จะได้หมู่ เอซิลคลอไรด์ซึ่งสามารถก่อตัวเป็นอะลิฟาติกและอะโรมาติกเอไมด์ได้ โดยมีอัตราการเปลี่ยนปฏิกิริยาประมาณ 70–80%

การรีฟลักซ์ ไฮดราซีนมักใช้ในการลด SLGO ให้เป็น SLG(R) แต่การไทเทรตแสดงให้เห็นว่ามีเพียงประมาณ 20–30% ของกลุ่มคาร์บอกซิลิกเท่านั้นที่หายไป ทำให้มีจำนวนมากเหลืออยู่สำหรับการยึดติดทางเคมี การวิเคราะห์ SLG(R) ที่สร้างขึ้นโดยวิธีนี้เผยให้เห็นว่าระบบไม่เสถียร และการใช้การกวนที่อุณหภูมิห้องด้วยกรดไฮโดรคลอริก (< 1.0 M) นำไปสู่การสูญเสียฟังก์ชัน COOH ประมาณ 60% การบำบัด SLGO ที่อุณหภูมิห้องด้วยคาร์โบไดอิมิดนำไปสู่การยุบตัวของแผ่นแต่ละแผ่นกลายเป็นคลัสเตอร์รูปดาวซึ่งแสดงปฏิกิริยาที่ไม่ดีกับเอมีนในภายหลัง (การแปลงตัวกลางเป็นอะไมด์ขั้นสุดท้ายประมาณ 3–5%) ^{[ 227 ]}เห็นได้ชัดว่าการบำบัดทางเคมีแบบดั้งเดิมของกลุ่มคาร์บอกซิลิกบน SLGO ทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงทางสัณฐานวิทยาของแผ่นแต่ละแผ่นซึ่งนำไปสู่การลดลงของปฏิกิริยาทางเคมี ซึ่งอาจจำกัดการใช้งานในการสังเคราะห์คอมโพสิต ดังนั้นจึงมีการสำรวจประเภทของปฏิกิริยาทางเคมี SLGO ยังได้รับการกราฟต์ด้วยโพลีอัลลิลามีนที่เชื่อมโยงกันผ่านกลุ่มอีพอกซีเมื่อกรองลงในกระดาษกราฟีนออกไซด์ คอมโพสิตเหล่านี้จะแสดงความแข็งและความแข็งแรงที่เพิ่มขึ้นเมื่อเทียบกับกระดาษกราฟีนออกไซด์ที่ไม่ได้รับการดัดแปลง^{[ 228 ]}

การเติมไฮโดรเจนอย่างสมบูรณ์จากทั้งสองด้านของแผ่นกราฟีนส่งผลให้เกิดกราฟีนแต่การเติมไฮโดรเจนบางส่วนนำไปสู่กราฟีนที่มีไฮโดรเจน^{[ 229 ]}ในทำนองเดียวกัน การเติมฟลูออรีนทั้งสองด้านของกราฟีน (หรือการลอกชั้นทางเคมีและเชิงกลของกราไฟต์ฟลูออไรด์) นำไปสู่ฟลูออโรกราฟีน (กราฟีนฟลูออไรด์) ^{[ 230 ]}ในขณะที่การเติมฟลูออรีนบางส่วน (โดยทั่วไปคือการเติมฮาโลเจน ) จะให้กราฟีนที่มีฟลูออรีน (กราฟีนที่มีฮาโลเจน)

กราฟีนสามารถเป็นลิแกนด์เพื่อประสานโลหะและไอออนโลหะโดยการแนะนำหมู่ฟังก์ชัน โครงสร้างของลิแกนด์กราฟีนมีความคล้ายคลึงกับสารประกอบเชิงซ้อนโลหะ-พอร์ ไฟริน สารประกอบเชิงซ้อน โลหะ- ฟทาโลไซยานีนและ สารประกอบ เชิงซ้อน โลหะ-ฟีนันโทรลีน ไอออน ทองแดงและนิกเกลสามารถประสานกับลิแกนด์กราฟีนได้^{[ 231 ] [ 232 ]}

ในปี 2554 นักวิจัยได้รายงานวิธีการใหม่ที่เรียบง่ายในการผลิตเส้นใยกราฟีนจากฟิล์มกราฟีนที่ปลูกโดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมี^{[ 233 ]}วิธีนี้สามารถปรับขนาดและควบคุมได้ ทำให้ได้รูปร่างและโครงสร้างรูพรุนที่ปรับแต่งได้โดยการควบคุมการระเหยของตัวทำละลายด้วยแรงตึงผิว ที่เหมาะสม ตัวเก็บประจุยิ่งยวดแบบโซลิดสเตทที่ยืดหยุ่นได้ซึ่งใช้เส้นใยกราฟีนเหล่านี้ได้รับการสาธิตในปี 2556 ^{[ 234 ]}

ในปี 2558 การแทรกชิ้นส่วนกราฟีนขนาดเล็กเข้าไปในช่องว่างที่เกิดจากแผ่นกราฟีนขนาดใหญ่ที่ม้วนเป็นเกลียว หลังจากการอบร้อน ทำให้เกิดเส้นทางสำหรับการนำไฟฟ้า ในขณะที่ชิ้นส่วนเหล่านี้ช่วยเสริมความแข็งแรงให้กับเส้นใย เส้นใยที่ได้จึงมีคุณสมบัติการนำความร้อนและไฟฟ้าที่ดีขึ้น รวมถึงความแข็งแรงเชิงกลที่ดีขึ้น การนำความร้อนสูงถึง 1,290  วัตต์ / เมตร / เคลวิน (1,290 วัตต์ต่อเมตรต่อเคลวิน) ในขณะที่ความแข็งแรงดึงสูงถึง 1,080  เมกะปาสคาล (157,000  ปอนด์ ต่อตารางนิ้ว ) ^{[ 235 ]}

ในปี 2559 เส้นใยกราฟีนต่อเนื่องขนาดกิโลเมตรที่มีคุณสมบัติเชิงกลที่โดดเด่นและการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมถูกผลิตขึ้นโดยการปั่นเปียกแบบความเร็วสูงของผลึกเหลวกราฟีนออกไซด์ ตามด้วยการทำให้เป็นกราไฟต์ผ่านกลยุทธ์วิศวกรรมข้อบกพร่องแบบประสานงานเต็มรูปแบบ^{[ 236 ]}เส้นใยกราฟีนที่มีประสิทธิภาพเหนือกว่านี้มีแนวโน้มที่จะนำไปประยุกต์ใช้ได้อย่างกว้างขวางในสิ่งทอเชิงฟังก์ชัน มอเตอร์น้ำหนักเบา อุปกรณ์ไมโครอิเล็กทรอนิกส์ เป็นต้น

มหาวิทยาลัยชิงหัวในปักกิ่ง นำโดย Wei Fei จากภาควิชาวิศวกรรมเคมี อ้างว่าสามารถสร้างเส้นใยนาโนคาร์บอนที่มีความแข็งแรงดึง 80  GPa (12,000,000  psi ) ได้ ^{[ 237 ]}

ในปี 2013 โครงสร้างรังผึ้งสามมิติของคาร์บอนที่จัดเรียงเป็นรูปหกเหลี่ยมถูกเรียกว่ากราฟีน 3 มิติ และกราฟีน 3 มิติแบบรองรับตัวเองก็ถูกผลิตขึ้นเช่นกัน^{[ 238 ]}โครงสร้างกราฟีน 3 มิติสามารถผลิตได้โดยใช้วิธี CVD หรือวิธีที่ใช้สารละลาย บทความวิจารณ์ในปี 2016 โดย Khurram และ Xu และคณะ ได้สรุปเทคนิคที่ทันสมัยที่สุดในขณะนั้นสำหรับการผลิตโครงสร้างกราฟีน 3 มิติและวัสดุสองมิติอื่นๆ ที่เกี่ยวข้อง^{[ 239 ]}ในปี 2013 นักวิจัยที่มหาวิทยาลัย Stony Brookได้รายงานวิธีการเชื่อมโยงข้ามแบบใหม่ที่เริ่มต้นด้วยอนุมูลอิสระเพื่อสร้างโครงสร้างแบบตั้งอิสระ 3 มิติที่มีรูพรุนของกราฟีนและท่อนาโนคาร์บอนโดยใช้วัสดุนาโนเป็นส่วนประกอบโดยไม่ต้องใช้เมทริกซ์พอลิเมอร์เป็นตัวรองรับ^{[ 240 ]}โครงสร้าง/โฟมกราฟีน 3 มิติ (คาร์บอนทั้งหมด) เหล่านี้มีการใช้งานในหลายสาขา เช่น การจัดเก็บพลังงาน การกรอง การจัดการความร้อน และอุปกรณ์ทางการแพทย์และวัสดุปลูกถ่าย^{[ 239 ] [ 241 ]}

มีการรายงานโครงสร้างนาโนกราฟีนรูปทรงกล่อง (BSG) ที่เกิดขึ้นหลังจากการแยกกราไฟต์ไพโรไลติก ด้วยกลไกในปี 2016 ^{[ 242 ]}โครงสร้างนาโนที่ค้นพบนี้เป็นระบบหลายชั้นของนาโนแชนเนลกลวงขนานกันที่ตั้งอยู่ตามพื้นผิวและมีหน้าตัดเป็นรูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส ความหนาของผนังแชนเนลมีค่าประมาณ 1 นาโนเมตร ศักยภาพในการประยุกต์ใช้ BSG ได้แก่เครื่องตรวจ จับที่มีความไว สูงมาก เซลล์เร่งปฏิกิริยาประสิทธิภาพสูง นาโนแชนเนลสำหรับการจัดลำดับ และการจัดการ DNA พื้นผิวระบายความร้อนประสิทธิภาพสูงแบตเตอรี่แบบชาร์จไฟได้ที่มีประสิทธิภาพสูงขึ้นตัวเรโซเนเตอร์เชิงกลระดับนาโนช่องทางการคูณอิเล็กตรอนใน อุปกรณ์ นาโนอิเล็กทรอนิกส์แบบเปล่งแสง และสารดูดซับความจุสูงสำหรับการจัดเก็บไฮโดรเจน อย่าง ปลอดภัย

มีการรายงานเกี่ยวกับกราฟีนสองชั้นสามมิติด้วยเช่นกัน^{[ 243 ] [ 244 ]}

กราฟีนแบบมีเสา (Pillared graphene) เป็นโครงสร้างคาร์บอนแบบไฮบริด ประกอบด้วยแถวของท่อนาโนคาร์บอนที่เรียงตัวอย่างเป็นระเบียบ โดยเชื่อมต่อปลายแต่ละด้านเข้ากับแผ่นกราฟีน โครงสร้างนี้ได้รับการอธิบายในเชิงทฤษฎีเป็นครั้งแรกโดย จอร์จ ฟรูดาคิส และเพื่อนร่วมงานที่มหาวิทยาลัยครีตประเทศกรีซ ในปี 2008 กราฟีนแบบมีเสายังไม่สามารถสังเคราะห์ได้ในห้องปฏิบัติการ แต่มีข้อเสนอแนะว่าอาจมีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่เป็นประโยชน์ หรือใช้เป็นวัสดุสำหรับกักเก็บไฮโดรเจนได้

กราฟีนที่เสริมแรงด้วย แท่ง นาโนคาร์บอน ฝังตัว ("แท่งเสริมแรง") นั้นง่ายต่อการจัดการ ในขณะเดียวกันก็ปรับปรุงคุณสมบัติทางไฟฟ้าและทางกลของวัสดุทั้งสอง^{[ 245 ] [ 246 ]}

ท่อนาโนคาร์บอนแบบผนังเดี่ยวหรือหลายผนังที่มีฟังก์ชันการทำงานจะถูกเคลือบแบบหมุนบนแผ่นฟอยล์ทองแดง จากนั้นให้ความร้อนและทำให้เย็นลง โดยใช้ท่อนาโนเองเป็นแหล่งคาร์บอน ภายใต้ความร้อนกลุ่มคาร์บอน ที่มีฟังก์ชันการทำงานจะสลายตัวเป็นกราฟีน ในขณะที่ท่อนาโนจะแยกออกบางส่วนและสร้าง พันธะโควา เลนต์ ในระนาบกับกราฟีน ทำให้มีความแข็งแรงเพิ่มขึ้น โดเมน การเรียงซ้อนแบบ π–πจะเพิ่มความแข็งแรงมากขึ้น ท่อนาโนสามารถซ้อนทับกันได้ ทำให้วัสดุเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดีกว่ากราฟีนที่ปลูกด้วยวิธี CVD มาตรฐาน ท่อนาโนจะเชื่อมต่อขอบเขตของเกรนที่พบในกราฟีนทั่วไปได้อย่างมีประสิทธิภาพ เทคนิคนี้ช่วยขจัดร่องรอยของพื้นผิวที่แผ่นที่แยกออกจากกันในภายหลังถูกวางลงโดยใช้เอพิแทกซี^{[ 245 ]}

^{มีการเสนอให้ ใช้} การเรียงซ้อนของชั้นบาง ๆ เป็นวัสดุทดแทน อินเดียมทินออกไซด์ (ITO) ที่มีประสิทธิภาพและยืดหยุ่นทางกายภาพซึ่งใช้ในจอแสดงผลและเซลล์แสงอาทิตย์ [ ^{245 ]}

ในปี 2015 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยอิลลินอยส์ เออร์บานา-แชมเปญ (UIUC) ได้พัฒนาแนวทางใหม่ในการสร้างรูปทรง 3 มิติจากแผ่นกราฟีน 2 มิติแบนราบ^{[ 247 ]}ฟิล์มกราฟีนที่แช่ในตัวทำละลายเพื่อให้บวมและอ่อนตัวลงถูกวางทับบนพื้นผิว "แม่พิมพ์" ที่อยู่ด้านล่าง ตัวทำละลายจะระเหยไปตามกาลเวลา เหลือไว้เพียงชั้นกราฟีนที่มีรูปร่างตามโครงสร้างพื้นฐาน ด้วยวิธีนี้ พวกเขาสามารถสร้างรูปทรงโครงสร้างขนาดเล็กที่ค่อนข้างซับซ้อนได้หลากหลาย^{[ 248 ]}คุณสมบัติของกราฟีนมีขนาดตั้งแต่ 3.5 ถึง 50 ไมโครเมตร กราฟีนบริสุทธิ์และกราฟีนที่ตกแต่งด้วยทองคำสามารถรวมเข้ากับพื้นผิวได้อย่างสำเร็จ^{[ 249 ]}

แอโรเจลที่ทำจากชั้นกราฟีนคั่นด้วยนาโนทิวบ์คาร์บอนมีน้ำหนัก 0.16 มิลลิกรัมต่อลูกบาศก์เซนติเมตร สารละลายกราฟีนและนาโนทิวบ์คาร์บอนในแม่พิมพ์จะถูกทำให้แห้งด้วยการแช่แข็งเพื่อกำจัดน้ำออกจากสารละลาย เหลือไว้เพียงแอโรเจล วัสดุนี้มีความยืดหยุ่นและการดูดซับที่ดีเยี่ยม สามารถคืนตัวได้อย่างสมบูรณ์หลังจากถูกบีบอัดมากกว่า 90% และดูดซับน้ำมันได้มากถึง 900 เท่าของน้ำหนักตัวเอง ในอัตรา 68.8 กรัมต่อวินาที^{[ 250 ]}

ในปี 2015 มีการค้นพบกราฟีนในรูปแบบขดในคาร์บอนกราไฟต์ (ถ่านหิน) ปรากฏการณ์การม้วนเป็นเกลียวเกิดจากข้อบกพร่องในโครงสร้างหกเหลี่ยมของวัสดุ ทำให้เกิดการม้วนเป็นเกลียวตามขอบ เลียนแบบพื้นผิวรีมันน์โดยพื้นผิวกราฟีนจะตั้งฉากกับแกนโดยประมาณ เมื่อมีการจ่ายแรงดันไฟฟ้าให้กับขดลวดดังกล่าว กระแสไฟฟ้าจะไหลรอบเกลียว ทำให้เกิดสนามแม่เหล็ก ปรากฏการณ์นี้ใช้ได้กับเกลียวที่มีรูปแบบซิกแซกหรืออาร์มแชร์ แม้ว่าจะมีรูปแบบการกระจายกระแสไฟฟ้าที่แตกต่างกันก็ตาม การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์แสดงให้เห็นว่าตัวเหนี่ยวนำแบบเกลียวทั่วไปที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 205 ไมครอน สามารถเทียบได้กับขดลวดนาโนที่มีความกว้างเพียง 70 นาโนเมตร โดยมีความแรงของสนามสูงถึง 1 เทสลา^{[ 251 ]}

นาโนโซลีนอยด์ที่วิเคราะห์ผ่านแบบจำลองคอมพิวเตอร์ที่มหาวิทยาลัยไรซ์ควรจะสามารถสร้างสนามแม่เหล็กที่มีกำลังสูงถึงประมาณ 1 เทสลา ซึ่งใกล้เคียงกับขดลวดที่พบในลำโพงทั่วไป ตามที่ยาคอบสันและทีมของเขากล่าว และมีความแรงสนามใกล้เคียงกับเครื่อง MRI บางเครื่อง พวกเขาพบว่าสนามแม่เหล็กจะมีความแรงสูงสุดในโพรงกลวงที่มีความกว้างระดับนาโนเมตรที่ศูนย์กลางของเกลียว^{[ 251 ]}

โซลินอยด์ที่สร้างด้วยขดลวดดังกล่าวมีพฤติกรรมเหมือนตัวนำควอนตัมซึ่งการกระจายกระแสระหว่างแกนและภายนอกจะแปรผันตามแรงดันไฟฟ้าที่ใช้ ส่งผลให้เกิดความเหนี่ยวนำ แบบไม่เชิง เส้น^{[ 252 ]}

ในปี 2559 มหาวิทยาลัยบราวน์ได้แนะนำวิธีการ "ทำให้กราฟีนยับย่น" โดยการเพิ่มรอยย่นให้กับวัสดุในระดับนาโน ซึ่งทำได้โดยการวางชั้นของกราฟีนออกไซด์ลงบนฟิล์มหดตัว จากนั้นทำให้หดตัว แล้วละลายฟิล์มก่อนที่จะทำให้หดตัวอีกครั้งบนแผ่นฟิล์มอีกแผ่นหนึ่ง กราฟีนที่ยับย่นกลายเป็นวัสดุที่ไม่ชอบน้ำอย่างยิ่ง และเมื่อใช้เป็นอิเล็กโทรดแบตเตอรี่ วัสดุนี้แสดงให้เห็นว่ามี ความหนาแน่นกระแสไฟฟ้าเคมี เพิ่มขึ้นถึง 400% ^{[ 253 ] [ 254 ]}

มีการพัฒนาเทคนิคการผลิตจำนวนมากอย่างรวดเร็วเพื่อช่วยให้สามารถใช้กราฟีนในแอปพลิเคชันเชิงพาณิชย์ได้^{[ 255 ]}

ผลึก 2 มิติที่แยกเดี่ยวไม่สามารถปลูกได้ด้วยการสังเคราะห์ทางเคมีเกินกว่าขนาดเล็กแม้ในทางทฤษฎี เนื่องจากความหนาแน่นของโฟนอนที่ เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เมื่อขนาดด้านข้างเพิ่มขึ้นจะบังคับให้ผลึก 2 มิติโค้งงอเป็นมิติที่สาม ในทุกกรณี กราฟีนจะต้องยึดติดกับพื้นผิวเพื่อรักษารูปทรงสองมิติไว้^{[ 19 ]}

โครงสร้างกราฟีนขนาดเล็ก เช่น กราฟีนควอนตัมดอตและนาโนริบบอน สามารถผลิตได้ด้วยวิธีการ "bottom-up" ซึ่งประกอบโครงสร้างตาข่ายจากโมโนเมอร์โมเลกุลอินทรีย์ (เช่น กรดซิตริก กลูโคส) ในทางกลับกัน วิธีการ "top-down" จะตัดวัสดุกราไฟต์และกราฟีนขนาดใหญ่ด้วยสารเคมีที่เข้มข้น (เช่น กรดผสม) ^{[ 256 ]}

วิธีการแยกแผ่นกราฟีนที่โด่งดัง สะอาด และค่อนข้างตรงไปตรงมาที่สุด เรียกว่าการแยกด้วยกลไกขนาดเล็ก หรือเรียกกันทั่วไปว่า วิธีการใช้เทปกาว ได้รับการแนะนำโดย Novoselov และคณะในปี 2547 ซึ่งใช้เทปกาว ในการแยก ผลึกกราไฟต์ คุณภาพสูงออกเป็นแผ่นบางๆ อย่างต่อเนื่อง นอกจากนี้ยังมีวิธีการอื่นๆ เช่น การลอกออก^{[ 256 ]}

Geim และ Novoselov เริ่มแรกใช้เทปกาวเพื่อดึงแผ่นกราฟีนออกจากกราไฟต์ โดยทั่วไปแล้วการได้ชั้นเดียวต้องใช้ขั้นตอนการลอกหลายขั้นตอน หลังจากลอกแล้ว เกล็ดจะถูกวางลงบนแผ่นเวเฟอร์ซิลิคอน สามารถสร้างผลึกที่มีขนาดใหญ่กว่า 1 มม. และมองเห็นได้ด้วยตาเปล่า^{[ 257 ]}

ในปี 2014 กระบวนการลอกชั้นทำให้ได้กราฟีนที่มีจำนวนข้อบกพร่องน้อยที่สุดและมีความคล่องตัวของอิเล็กตรอนสูงที่สุด เทคนิคการลอกชั้นแบบหนึ่งเกี่ยวข้องกับการใช้ลิ่มเพชรผลึกเดี่ยวที่คมเพื่อเจาะเข้าไปในแหล่งกราไฟต์และแยกชั้นแต่ละชั้นอย่างแม่นยำ ในปีเดียวกันนั้น นักวิจัยยังได้พัฒนาวิธีการในเฟสของเหลว โดยสร้างของเหลวที่มีกราฟีนปราศจากข้อบกพร่องและไม่ถูกออกซิไดซ์จากกราไฟต์โดยใช้เครื่องผสมที่สร้างอัตราการเฉือนเฉพาะที่สูงมาก ซึ่งมากกว่า10 × 10 ⁴ . ^{[ 258 ] [ 259 ]}

การศึกษาในปี 2014 ที่ตีพิมพ์ในNature Materialsแสดงให้เห็นว่าการผลิตกราฟีนที่ปราศจากข้อบกพร่องในปริมาณมากนั้นเป็นไปได้โดยการแยกชั้นด้วยแรงเฉือนโดยใช้เครื่องผสมแรงเฉือนสูงเทคนิคนี้สามารถผลิตกราฟีนหลายชั้นจำนวนมากในสารละลายในขณะที่ยังคงรักษาความสมบูรณ์ของโครงสร้างไว้ได้^{[ 260 ]}เนื่องจากไม่จำเป็นต้องมีความปั่นป่วนสำหรับการแยกชั้นเชิงกล การผสมเสียงสะท้อนหรือการบดด้วยลูกบอล ความเร็วต่ำ ก็สามารถมีประสิทธิภาพในการผลิตกราฟีนที่มีผลผลิตสูงและละลายน้ำได้เช่นกัน^{[ 261 ] [ 262 ]}

การลอกชั้นในเฟสของเหลว (LPE) เป็นวิธีการที่ค่อนข้างง่ายซึ่งเกี่ยวข้องกับการกระจายกราไฟต์ในตัวกลางของเหลวเพื่อผลิตกราฟีนโดยการใช้คลื่นเสียงหรือการผสมด้วยแรงเฉือนสูง ตามด้วยการปั่นเหวี่ยงการเรียงซ้อนใหม่เป็นปัญหาของเทคนิคนี้ เว้นแต่จะใช้ตัวทำละลายที่มีพลังงานพื้นผิวที่เหมาะสม (เช่น NMP) การเติมสารลดแรงตึงผิวลงในตัวทำละลายก่อนการใช้คลื่นเสียงจะช่วยป้องกันการเรียงซ้อนใหม่โดยการดูดซับที่พื้นผิวของกราฟีน ซึ่งจะทำให้ได้ความเข้มข้นของกราฟีนที่สูงขึ้น แต่การกำจัดสารลดแรงตึงผิวต้องใช้การบำบัดทางเคมี^{[ 263 ] [ 264 ]}

LPE ส่งผลให้ได้นาโนชีทที่มีการกระจายขนาดที่กว้างและมีความหนาโดยประมาณอยู่ในช่วง 1-10 โมโนเลเยอร์ อย่างไรก็ตาม สามารถใช้การหมุนเหวี่ยงแบบเรียงลำดับของเหลวเพื่อคัดเลือกขนาดของสารแขวนลอยและทำให้ได้โมโนเลเยอร์ที่มีความเข้มข้นสูงขึ้น^{[ 265 ]}

การใช้คลื่นเสียงกับกราไฟต์ที่ส่วนต่อประสานของของเหลว สอง ชนิดที่ไม่สามารถผสม กันได้ โดยเฉพาะอย่างยิ่ง เฮปเทนและน้ำ ทำให้เกิดฟิล์มกราฟีนขนาดใหญ่ แผ่นกราฟีนจะถูกดูดซับที่ส่วนต่อประสานพลังงานสูงระหว่างวัสดุและป้องกันไม่ให้เรียงซ้อนกัน แผ่นเหล่านี้มีความโปร่งใสและนำไฟฟ้าได้ถึงประมาณ 95% ^{[ 266 ]}

ด้วยพารามิเตอร์การแยกที่แน่นอน โครงสร้างนาโนกราฟีนรูปทรงกล่อง (BSG) สามารถเตรียมได้บนผลึกกรา ไฟ ต์^{[ 242 ]}ข้อได้เปรียบที่สำคัญของ LPE คือสามารถใช้ในการแยกวัสดุ 2 มิติอนินทรีย์หลายชนิดนอกเหนือจากกราฟีน เช่น BN, MoS ² _, WS ₂ ^{[ 267} ]

การลอกชั้นในเฟสของเหลวยังสามารถทำได้โดยกระบวนการที่ไม่ค่อยเป็นที่รู้จัก โดยการแทรกคาร์บอนไดออกไซด์วิกฤตยิ่งยวด (scCO2) เข้าไปในช่องว่างระหว่างอะตอมในโครงตาข่ายกราไฟต์ ตามด้วยการลดความดันอย่างรวดเร็ว scCO2 จะแทรกเข้าไปในโครงตาข่ายกราไฟต์ได้ง่ายที่ความดันประมาณ 100 atmคาร์บอนไดออกไซด์จะกลายเป็นก๊าซทันทีที่ภาชนะลดความดัน และทำให้กราไฟต์ระเบิดกลายเป็นกราฟีนที่มีชั้นบางๆ^{[ 256 ]}

วิธีนี้อาจมีข้อดีหลายประการ ได้แก่ ไม่เป็นพิษ กราไฟต์ไม่จำเป็นต้องได้รับการบำบัดทางเคมีใดๆ ก่อนกระบวนการ และกระบวนการทั้งหมดสามารถเสร็จสิ้นได้ในขั้นตอนเดียว ซึ่งแตกต่างจากวิธีการลอกชั้นอื่นๆ^{[ 256 ]}

กราฟีนสามารถสร้างขึ้นได้โดยการเปิดท่อนาโนคาร์บอนโดยการตัดหรือการกัด^{[ 268 ]}ในวิธีการดังกล่าวท่อนาโนคาร์บอนแบบหลายผนังถูกตัดเปิดในสารละลายโดยการกระทำของโพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตและกรดซัลฟิวริก [ ^{269 ] [ 270 ] ใน}ปี 2014 กราฟีนเสริมแรงด้วยท่อนาโนคาร์บอนถูกสร้างขึ้นโดยการเคลือบแบบหมุนและการอบท่อนาโนคาร์บอนที่มีฟังก์ชันการทำงาน^{[ 245 ]}

อีกแนวทางหนึ่งคือการพ่นบัคกี้บอลด้วยความเร็วเหนือเสียงลงบนพื้นผิว ลูกบอลจะแตกออกเมื่อกระทบ และกรงที่แยกออกจะยึดติดกันเพื่อสร้างฟิล์มกราฟีน^{[ 271 ]}

P. Boehm รายงานการผลิตแผ่นกราฟีนออกไซด์ลดชั้นโมโนเลเยอร์ในปี พ.ศ. 2505 ^{[ 272 ] [ 273 ]}การให้ความร้อนอย่างรวดเร็วแก่กราไฟต์ออกไซด์และการลอกชั้นทำให้ได้ผงคาร์บอนที่กระจายตัวสูงซึ่งมีกราฟีนเป็นแผ่นเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์

อีกวิธีหนึ่งคือการลดฟิล์มโมโนเลเยอร์กราไฟต์ออกไซด์ เช่น โดยใช้ไฮดราซีนร่วมกับการอบในอาร์กอน / ไฮโดรเจน โดยมีโครงสร้างคาร์บอนเกือบสมบูรณ์ซึ่งช่วยให้สามารถกำจัดหมู่ฟังก์ชันได้อย่างมีประสิทธิภาพ ความสามารถในการเคลื่อนที่ ของตัวนำประจุที่วัดได้เกิน 1,000 cm/Vs (10 m/Vs) ^{[ 274 ]}

การเผา DVDที่เคลือบด้วยกราไฟต์ออกไซด์ทำให้เกิดฟิล์มกราฟีนนำไฟฟ้า (1,738 ซีเมนส์ต่อเมตร) และพื้นที่ผิวจำเพาะ (1,520 ตารางเมตรต่อกรัม) ซึ่งมีความทนทานและอ่อนตัวสูง^{[ 275 ]}

สารแขวนลอยกราฟีนออกไซด์ที่ลดลงแบบกระจายตัวถูกสังเคราะห์ในน้ำโดยวิธีการกำจัดน้ำด้วยความร้อนโดยไม่ต้องใช้สารลดแรงตึงผิว วิธีการนี้ง่าย ใช้งานได้ในอุตสาหกรรม เป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อม และคุ้มค่า การวัดความหนืดยืนยันว่าสารแขวนลอยคอลลอยด์กราฟีน (นาโนฟลูอิดกราฟีน) แสดงพฤติกรรมแบบนิวตัน โดยความหนืดมีความคล้ายคลึงกับน้ำอย่างมาก^{[ 276 ]}

อนุภาคกราไฟต์สามารถถูกกัดกร่อนในเกลือหลอมเหลวเพื่อสร้างโครงสร้างนาโนคาร์บอนหลากหลายชนิดรวมถึงกราฟีน^{[ 277 ]}ไอออนไฮโดรเจนที่ละลายในลิเธียมคลอไรด์หลอมเหลวสามารถถูกปล่อยออกมาบนแท่งกราไฟต์ที่ถูกโพลาไรซ์ด้วยขั้วแคโทด จากนั้นจะแทรกตัวเข้าไปและลอกแผ่นกราฟีนออกมา แผ่นนาโนกราฟีนที่ผลิตได้แสดงโครงสร้างผลึกเดี่ยวที่มีขนาดด้านข้างหลายร้อยนาโนเมตรและมีความเป็นผลึกและความเสถียรทางความร้อนสูง^{[ 278 ]}

การสังเคราะห์ทางไฟฟ้าเคมีสามารถแยกแผ่นกราฟีนได้ การเปลี่ยนแปลงแรงดันไฟฟ้าแบบพัลส์จะควบคุมความหนา พื้นที่ของแผ่น และจำนวนข้อบกพร่อง และส่งผลต่อคุณสมบัติของมัน กระบวนการเริ่มต้นด้วยการแช่กราไฟต์ในตัวทำละลายเพื่อการแทรกซึม สามารถติดตามกระบวนการได้โดยการตรวจสอบความโปร่งใสของสารละลายด้วย LED และโฟโตไดโอด^{[ 279 ] [ 280 ]}

กราฟีนได้รับการเตรียมโดยใช้น้ำตาล เช่นกลูโคสฟรุกโตสเป็นต้น การสังเคราะห์แบบ "จากล่างขึ้นบน" ที่ปราศจากสารตั้งต้นนี้ปลอดภัยกว่า ง่ายกว่า และเป็นมิตรต่อสิ่งแวดล้อมมากกว่าการลอกชั้น วิธีนี้สามารถควบคุมความหนาได้ตั้งแต่ชั้นเดียวไปจนถึงหลายชั้น ซึ่งเรียกว่า "วิธี Tang-Lau" ^{[ 281 ] [ 282 ] [ 283 ] [ 284 ]}

ผลิตปริมาณเป็นกรัมโดยปฏิกิริยาของเอทานอลกับ โลหะ โซเดียมตามด้วยการไพโรไลซิสและการล้างด้วยน้ำ^{[ 285 ]}

ในปี 2555 มีรายงานว่าพลังงานไมโครเวฟสามารถสังเคราะห์กราฟีนได้โดยตรงในขั้นตอนเดียว^{[ 286 ]}วิธีนี้หลีกเลี่ยงการใช้โพแทสเซียมเปอร์แมงกาเนตในส่วนผสมของปฏิกิริยา นอกจากนี้ยังมีรายงานว่าด้วยความช่วยเหลือของรังสีไมโครเวฟ สามารถสังเคราะห์กราฟีนออกไซด์ที่มีหรือไม่มีรูได้โดยการควบคุมเวลาไมโครเวฟ^{[ 287 ]}การให้ความร้อนด้วยไมโครเวฟสามารถลดเวลาปฏิกิริยาลงอย่างมากจากหลายวันเหลือเพียงไม่กี่วินาที

กราฟีนยังสามารถผลิตได้โดย การไพโรไลซิสแบบไฮโดรเทอร์มอลโดยใช้ ไมโครเวฟช่วย^{[ 217 ] [ 218 ]}

การให้ความร้อนแก่ซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC) ที่อุณหภูมิสูง (^{ที่อุณหภูมิ} 1100 °C ภาย ^ใต้ความดันต่ำ (ประมาณ 10 ⁻⁶ torr หรือ 10 ⁻⁴ Pa) จะทำให้กลายเป็นกราฟีน^{[ 97 ] [ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 288 ]}

การเติบโตของกราฟีนแบบเอพิแท็กเซียลบนซิลิคอนคาร์ไบด์เป็นเทคนิคระดับเวเฟอร์ในการผลิต กราฟีน กราฟีน แบบเอพิแท็กเซียลอาจเชื่อมต่อกับพื้นผิวได้อ่อนพอ (โดยอิเล็กตรอนวาเลนซ์ที่แอคทีฟซึ่งสร้างแรงแวนเดอร์วาลส์ ) เพื่อรักษาสภาพ โครงสร้างแถบอิเล็กตรอนสองมิติของกราฟีนที่แยกตัว^{[ 289 ]}

แผ่นเวเฟอร์ซิลิคอนปกติที่เคลือบด้วยชั้นเจอร์มาเนียม (Ge) ที่จุ่มลงในกรดไฮโดรฟลูออริก เจือจางจะกำจัดกลุ่ม เจอร์มาเนียมออกไซด์ที่เกิดขึ้นตามธรรมชาติทำให้เกิดเจอร์มาเนียมที่สิ้นสุดด้วยไฮโดรเจน CVD สามารถเคลือบด้วยกราฟีนได้^{[ 290 ] [ 291 ]}

การสังเคราะห์กราฟีนโดยตรงบนฉนวน TiO2 _ที่มีค่าคงที่ไดอิเล็กตริกสูง (high-κ) แสดงให้เห็นกระบวนการ CVD สองขั้นตอนในการปลูกกราฟีนโดยตรงบนผลึก TiO2 _หรือนาโนชีท TiO2 ที่แยกชั้น_โดยไม่ต้องใช้ตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะใดๆ^{[ 292 ]}

^{กราฟี น} CVD สามารถปลูกบนพื้นผิวโลหะได้ รวมถึง^{รูเทเนียม [ 293} ]อิริเดียม^{[ 294} ]นิ^กเกล^{[ 295 ]}และทองแดง^{[ 296 ] [} 297 ^]

ในปี 2557 มีการประกาศกระบวนการผลิตแบบม้วนต่อม้วนสองขั้นตอน ขั้นตอนแรกเป็นการผลิตกราฟีนผ่านการตกตะกอนไอสารเคมี ขั้นตอนที่สองเป็นการเชื่อมกราฟีนเข้ากับพื้นผิว^{[ 298 ] [ 299 ]}

มีการอ้างว่าการปลูกกราฟีนในระบบ CVD แบบผนังเย็นที่ใช้ความร้อนต้านทานในระดับอุตสาหกรรมสามารถผลิตกราฟีนได้เร็วกว่าระบบ CVD แบบดั้งเดิมถึง 100 เท่า ลดต้นทุนได้ 99% และผลิตวัสดุที่มีคุณสมบัติทางอิเล็กทรอนิกส์ที่ดีขึ้น^{[ 300 ] [ 301 ]}

กราฟีน CVD สามารถปรับขนาดได้และถูกปลูกบนตัวเร่งปฏิกิริยาฟิล์มบาง Cu ที่ตกตะกอนบนเวเฟอร์ Si/ _{SiO2 มาตรฐานขนาด 100 ถึง 300 มม.} ^{[ 302 ] [ 303 ] [ 304 ]}บนระบบ Axitron Black Magic สามารถบรรลุการครอบคลุมกราฟีนชั้นเดียวมากกว่า 95% บนพื้นผิวเวเฟอร์ขนาด 100 ถึง 300 มม. โดยมีข้อบกพร่องน้อยมาก ซึ่งได้รับการยืนยันโดยการทำแผนที่ Raman อย่างละเอียด^{[ 303 ] [ 304 ]}

จากรายงานของกลุ่มที่นำโดย DH Adamson พบว่ากราฟีนสามารถผลิตได้จากกราไฟต์ธรรมชาติโดยยังคงรักษาความสมบูรณ์ของแผ่นไว้ได้โดยใช้วิธีการดักจับส่วนต่อประสานตัวทำละลาย (SITM) SITM ใช้ส่วนต่อประสานที่มีพลังงานสูง เช่น น้ำมันและน้ำ เพื่อแยกกราไฟต์ออกเป็นกราฟีน กราไฟต์ที่ซ้อนกันจะแยกตัวหรือกระจายตัวที่ส่วนต่อประสานน้ำมัน/น้ำเพื่อผลิตกราฟีนที่มีชั้นบางๆ ในกระบวนการที่เอื้อต่อทางอุณหพลศาสตร์ในลักษณะเดียวกับที่สารลดแรงตึงผิวโมเลกุลขนาดเล็กกระจายตัวเพื่อลดพลังงานส่วนต่อประสาน ด้วยวิธีนี้ กราฟีนจึงมีพฤติกรรมเหมือนสารลดแรงตึงผิวแบบ 2 มิติ^{[ 305 ] [ 306 ] [ 307 ]}มีการรายงานการใช้ SITM ในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น โฟมพอลิเมอร์นำไฟฟ้า-กราฟีน^{[ 308 ] [ 309 ] [ 310 ] [ 311 ]}ไมโครสเฟียร์พอลิเมอร์นำไฟฟ้า-กราฟีน^{[ 312 ]}ฟิล์มบางนำ ไฟฟ้า ^{[ 313 ]}และหมึกนำไฟฟ้า^{[ 314 ]}

ปฏิกิริยาคายความร้อนสูงจะเผาไหม้แมกนีเซียมในปฏิกิริยาออกซิเดชัน-รีดักชันกับคาร์บอนไดออกไซด์ ทำให้เกิดอนุภาคนาโนคาร์บอนรวมถึงกราฟีนและฟูลเลอรีน^{[ 315 ]}

การเร่งความเร็วเหนือเสียงของหยดน้ำผ่านหัวฉีด Lavalถูกนำมาใช้เพื่อวางกราฟีนออกไซด์ที่ลดลงบนพื้นผิว พลังงานของการชนจะจัดเรียงอะตอมคาร์บอนเหล่านั้นใหม่ให้กลายเป็นกราฟีนที่สมบูรณ์แบบ^{[ 316 ] [ 317 ]}

ในปี 2014 บริษัท CO แห่งหนึ่ง₂เลเซอร์อินฟราเรดถูกใช้เพื่อสร้างเครือข่ายฟิล์มกราฟีนเหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์สามมิติแบบมีลวดลายจากฟิล์มพอลิเมอร์เชิงพาณิชย์ วัสดุที่ได้แสดงให้เห็นถึงการนำไฟฟ้าและพื้นที่ผิวสูง กระบวนการเหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์เข้ากันได้กับกระบวนการผลิตแบบม้วนต่อม้วน^{[ 318 ]}วัสดุที่คล้ายกันคือเส้นใยกราฟีนเหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ (LIGF) ได้รับการรายงานในปี 2018 ^{[ 319 ]}

ในปี 2019 พบว่าการให้ความร้อนแบบแฟลชจูล (การให้ความร้อนด้วยไฟฟ้าที่อุณหภูมิสูงชั่วคราว) เป็นวิธีการสังเคราะห์กราฟีนเทอร์โบสแตรติกในรูปแบบผงจำนวนมาก วิธีนี้เกี่ยวข้องกับการแปลงแหล่งคาร์บอนต่างๆ เช่น คาร์บอนแบล็ก ถ่านหิน และเศษอาหาร ให้เป็นเกล็ดกราฟีนขนาดไมครอนด้วยความร้อน ไฟฟ้า ^{[ 208 ] [ 320 ]}งานวิจัยล่าสุดแสดงให้เห็นถึงการใช้ขยะพลาสติก ผสม ยางรถยนต์ใช้แล้ว และเถ้าจากการไพโรไลซิสเป็นวัตถุดิบคาร์บอน^{[ 321 ] [ 322 ] [ 323 ]}กระบวนการสร้างกราฟีนนั้นถูกควบคุมด้วยจลนศาสตร์ และปริมาณพลังงานจะถูกเลือกเพื่อรักษาสภาพของคาร์บอนให้อยู่ในสถานะกราฟีน (การป้อนพลังงานมากเกินไปจะนำไปสู่การเกิดกราไฟต์ในภายหลังผ่านการอบอ่อน)

การเร่งไอออนคาร์บอนภายในสนามไฟฟ้าเข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์ที่ทำจากฟิล์มนิกเกิลบางๆ บนพื้นผิวของ SiO2 _/ Si ทำให้เกิดชั้นกราฟีนขนาดเวเฟอร์ (4 นิ้ว (100 มม.)) ที่ปราศจากรอยย่น/รอยฉีกขาด/คราบตกค้างที่อุณหภูมิค่อนข้างต่ำ 500 °C ^{[ 324 ] [ 325 ]}

การบูรณาการกราฟีนในกระบวนการผลิต CMOS ที่ใช้กันอย่างแพร่หลายนั้น ต้องการการสังเคราะห์โดยตรงแบบไม่ต้องถ่ายโอนบน พื้นผิว ไดอิเล็กทริกที่อุณหภูมิต่ำกว่า 500 °C ในงานIEDM 2018 นักวิจัยจากมหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บาราได้สาธิตกระบวนการสังเคราะห์กราฟีนที่เข้ากันได้กับ CMOS แบบใหม่ที่อุณหภูมิ 300 °C ซึ่งเหมาะสมสำหรับการใช้งานในส่วนท้ายของสายการผลิต ( BEOL ) ^{[ 326 ] [ 327 ] [ 328 ]} กระบวนการนี้เกี่ยวข้องกับ การแพร่กระจายของคาร์บอนในสถานะของแข็งโดยใช้แรงดันช่วยผ่านฟิล์มบางของตัวเร่งปฏิกิริยาโลหะ ฟิล์มกราฟีนพื้นที่ขนาดใหญ่ที่สังเคราะห์ได้แสดงให้เห็นถึงคุณภาพสูง (ผ่าน การวิเคราะห์ด้วย Raman ) และ ค่า ความต้านทาน ที่คล้ายคลึงกัน เมื่อเปรียบเทียบกับฟิล์มกราฟีนที่สังเคราะห์ด้วย CVD ที่อุณหภูมิสูงที่มีหน้าตัดเดียวกันจนถึงความกว้าง 20 นาโนเมตร

นอกเหนือจากการตรวจสอบเชิงทดลองของกราฟีนและอุปกรณ์ที่ใช้กราฟีนแล้ว การสร้างแบบจำลองเชิงตัวเลขและการจำลองกราฟีนยังเป็นหัวข้อการวิจัยที่สำคัญอีกด้วยสูตรของ Kuboให้การแสดงออกเชิงวิเคราะห์สำหรับค่าการนำไฟฟ้าของกราฟีนและแสดงให้เห็นว่าเป็นฟังก์ชันของพารามิเตอร์ทางกายภาพหลายประการ รวมถึงความยาวคลื่น อุณหภูมิ และศักยภาพทางเคมี^{[ 329 ]}ยิ่งไปกว่านั้น ได้มีการเสนอแบบจำลองการนำไฟฟ้าบนพื้นผิว ซึ่งอธิบายกราฟีนว่าเป็นแผ่นบางมาก (สองด้าน) ที่มีค่าการนำไฟฟ้าเฉพาะที่และไอโซโทรปิก แบบจำลองนี้ช่วยให้สามารถหาการแสดงออกเชิงวิเคราะห์สำหรับสนามแม่เหล็กไฟฟ้าเมื่อมีแผ่นกราฟีนอยู่ในรูปของฟังก์ชัน Green แบบไดอะดิก (แสดงโดยใช้ปริพันธ์ Sommerfeld) และกระแสไฟฟ้าที่กระตุ้น^{[ 330 ]}

แม้ว่าแบบจำลองและวิธีการวิเคราะห์เหล่านี้จะสามารถให้ผลลัพธ์สำหรับปัญหามาตรฐานหลายปัญหาเพื่อวัตถุประสงค์ในการเปรียบเทียบ แต่ปัญหาในทางปฏิบัติหลายอย่างที่เกี่ยวข้องกับกราฟีน เช่น การออกแบบอุปกรณ์แม่เหล็กไฟฟ้าที่มีรูปร่างตามอำเภอใจนั้นไม่สามารถแก้ไขได้ด้วยวิธีการวิเคราะห์ ด้วยความก้าวหน้าล่าสุดในสาขาแม่เหล็กไฟฟ้าเชิงคำนวณ (CEM)ทำให้มีวิธีการเชิงตัวเลขที่แม่นยำและมีประสิทธิภาพมากมายสำหรับการวิเคราะห์ปฏิสัมพันธ์ของสนาม/คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าบนแผ่นกราฟีนและ/หรืออุปกรณ์ที่ใช้กราฟีน บทสรุปที่ครอบคลุมของเครื่องมือคำนวณที่พัฒนาขึ้นสำหรับการวิเคราะห์อุปกรณ์/ระบบที่ใช้กราฟีนได้ถูกนำเสนอ^{[ 331 ]}

กราฟีนอะนาล็อก^{[ 332 ]} (เรียกอีกอย่างว่า "กราฟีนเทียม") เป็นระบบสองมิติที่มีคุณสมบัติคล้ายกับกราฟีน กราฟีนอะนาล็อกได้รับการศึกษาอย่างเข้มข้นนับตั้งแต่การค้นพบกราฟีนในปี 2547 ผู้คนพยายามพัฒนาระบบที่ฟิสิกส์สามารถสังเกตและจัดการได้ง่ายกว่าในกราฟีน ในระบบเหล่านั้น อิเล็กตรอนไม่ได้เป็นอนุภาคที่ใช้เสมอไป อาจเป็นโฟตอนแสง^{[ 333 ]} โฟ ตอนไมโครเวฟ^{[ 334 ] พลาสมอน [ 335 ]}โพลาไรตันไมโครแค วิที ^{[ 336 ]}หรือแม้แต่อะตอม^{[ 337 ]}นอกจากนี้ โครงสร้างรังผึ้งที่อนุภาคเหล่านั้นวิวัฒนาการอาจมีลักษณะที่แตกต่างจากอะตอมคาร์บอนในกราฟีน อาจเป็น ผลึก โฟตอนิก อาร์เรย์ของแท่งโลหะอนุภาคนาโน โลหะ โครงตาข่ายของไมโครแควิทีที่เชื่อมต่อกัน หรือโครงตาข่ายแสงตาม ลำดับ

กราฟีนเป็นตัวนำที่โปร่งใสและยืดหยุ่นได้ ซึ่งมีศักยภาพสูงสำหรับการใช้งานวัสดุ/อุปกรณ์ต่างๆ รวมถึงเซลล์แสงอาทิตย์^{[ 338 ]}ไดโอดเปล่งแสง (LED) อุปกรณ์วงจรโฟตอนิกแบบรวม^{[ 339 ] [ 340 ]}แผงสัมผัส และหน้าต่างหรือโทรศัพท์อัจฉริยะ^{[ 341 ]}ผลิตภัณฑ์สมาร์ทโฟนที่มีหน้าจอสัมผัสกราฟีนวางจำหน่ายในตลาดแล้ว^{[ 342 ]}

ในปี 2013 Head ได้ประกาศเปิดตัวไม้เทนนิสกราฟีนรุ่นใหม่^{[ 343 ]}

ณ ปี 2015 มีผลิตภัณฑ์หนึ่งรายการที่พร้อมใช้งานเชิงพาณิชย์ ได้แก่ ผงพิมพ์ที่ผสมกราฟีน^{[ 344 ]}มีการเสนอหรือกำลังพัฒนาการใช้งานกราฟีนในด้านอื่นๆ อีกมากมาย เช่น อิเล็กทรอนิกส์^{วิศวกรรม}ชีวภาพการกรองวัสดุคอมโพ สิต น้ำหนักเบา/แข็งแรงเซลล์แสงอาทิตย์และการจัดเก็บพลังงาน^{[ 239} ] ^{[ 345 ]}กราฟีนมักผลิตเป็นผงและเป็นสารกระจายตัวในเมทริกซ์พอลิเมอร์ สารกระจายตัวนี้ถือว่าเหมาะสมสำหรับวัสดุคอมโพสิตขั้นสูง^{[ 346 ] [ 347 ]}สีและสารเคลือบ สารหล่อลื่น น้ำมันและของเหลวใช้งาน ตัวเก็บประจุและแบตเตอรี่ การใช้งานด้านการจัดการความร้อน วัสดุแสดงผลและบรรจุภัณฑ์ เซลล์แสงอาทิตย์ หมึกและวัสดุสำหรับเครื่องพิมพ์ 3 มิติ และแผ่นกั้นและฟิล์ม^{[ 348 ]}

เมื่อวันที่ 2 สิงหาคม 2559 มีการกล่าวว่ารถยนต์รุ่น Mono ใหม่ ของ Briggs Automative Companyผลิตจากกราฟีน ซึ่งถือเป็นรถยนต์คันแรกทั้งที่สามารถใช้งานบนถนนได้ตามกฎหมายและรถยนต์ที่ผลิตเพื่อจำหน่าย^{[ 349 ]}

ในเดือนมกราคม 2018 ตัวเหนี่ยวนำแบบเกลียวที่ใช้กราฟีนซึ่งใช้ประโยชน์จากความเหนี่ยวนำจลน์ที่อุณหภูมิห้องได้รับการสาธิตเป็นครั้งแรกที่มหาวิทยาลัยแคลิฟอร์เนีย ซานตาบาร์บาราโดยมีKaustav Banerjee เป็น ผู้นำ ตัวเหนี่ยวนำเหล่านี้คาดว่าจะช่วยให้สามารถลดขนาดลงได้อย่างมากในการใช้งานวงจรรวมความถี่วิทยุ^{[ 350 ] [ 351 ] [ 352 ]}

ศักยภาพของกราฟีนเอพิแท็กเซียลบนSiCสำหรับการวัดได้รับการแสดงให้เห็นตั้งแต่ปี 2010 โดยแสดงความแม่นยำในการหาค่าควอนตัมความต้านทานฮอลล์ที่สามส่วนต่อพันล้านในกราฟีนเอพิแท็กเซียลชั้นเดียว ตลอดหลายปีที่ผ่านมา ความแม่นยำระดับส่วนต่อล้านล้านในการหาค่าควอนตัมความต้านทานฮอลล์และที่ราบสูงควอนตัมฮอลล์ขนาดใหญ่ได้รับการสาธิต การพัฒนาในการห่อหุ้มและการเจือปนของกราฟีนเอพิแท็กเซียลนำไปสู่การนำมาตรฐานความต้านทานควอนตัมกราฟีนเอพิแท็กเซียลไปใช้ในเชิงพาณิชย์^{[ 353 ]}

การใช้งานกราฟีนรูปแบบใหม่ๆ ยังคงได้รับการวิจัยและสำรวจอย่างต่อเนื่อง การใช้งานอย่างหนึ่งคือการใช้ร่วมกับเรซินอีพ็อกซีแบบน้ำเพื่อผลิตสารเคลือบป้องกันการกัดกร่อน^{[ 354 ]}คุณสมบัติแวนเดอร์วาลส์ของกราฟีนและวัสดุสองมิติ (2D) อื่นๆ ยังช่วยให้เกิดโครงสร้างเฮเทอโรแวนเดอร์วาลส์^{[ 355 ]}และวงจรรวมที่ใช้การรวมแวนเดอร์วาลส์ของวัสดุ 2D ^{[ 356 ] [ 357 ]}

กราฟีนถูกนำมาใช้ในการตรวจจับก๊าซและสารเคมีในการตรวจสอบสิ่งแวดล้อม พัฒนาไบโอเซนเซอร์ที่มีความไวสูงสำหรับการวินิจฉัยทางการแพทย์ และสร้างเซนเซอร์แบบยืดหยุ่นที่สวมใส่ได้สำหรับการตรวจสอบสุขภาพ^{[ 358 ] [ 359 ]}ความโปร่งใสของกราฟีนยังช่วยเพิ่มประสิทธิภาพของเซนเซอร์แบบออปติคอล ทำให้เซนเซอร์มีประสิทธิภาพมากขึ้นในการถ่ายภาพและสเปกโทรสโกปี^{[ 360 ]}

บทความวิจารณ์เรื่องความเป็นพิษของกราฟีนที่ตีพิมพ์ในปี 2016 โดย Lalwani et al. สรุปผล กระทบ ในหลอดทดลอง ในร่างกายฤทธิ์ต้านจุลชีพ และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม และเน้นย้ำถึงกลไกต่างๆ ของความเป็นพิษของกราฟีน^{[ 361 ]}บทความวิจารณ์อีกฉบับที่ตีพิมพ์ในปี 2016 โดย Ou et al. มุ่งเน้นไปที่วัสดุนาโนในกลุ่มกราฟีน (GFNs) และเปิดเผยกลไกทั่วไปหลายประการ เช่น การทำลายทางกายภาพความเครียดออกซิเดชันความเสียหายของ DNA การตอบสนองต่อการอักเสบ อะพอพโทซิส ออโตฟาจีและเนื้อตาย^{[ 362 ]}

การศึกษาในปี 2020 แสดงให้เห็นว่าความเป็นพิษของกราฟีนขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ เช่น รูปร่าง ขนาด ความบริสุทธิ์ ขั้นตอนการประมวลผลหลังการผลิต สถานะออกซิเดชัน หมู่ฟังก์ชัน สถานะการกระจายตัว วิธีการสังเคราะห์ เส้นทางและปริมาณการบริหารยา และระยะเวลาการสัมผัส^{[ 363 ]}

ในปี 2014 งานวิจัยที่มหาวิทยาลัยสโตนีบรูกแสดงให้เห็นว่านาโนริบบอนกราฟีนนาโนเพลตเลตกราฟีน และนาโนออนเนียนกราฟีนนั้นไม่เป็นพิษที่ความเข้มข้นสูงถึง 50 μg/ml อนุภาคนาโนเหล่านี้ไม่เปลี่ยนแปลงการแยกตัวของเซลล์ต้นกำเนิด ไขกระดูกมนุษย์ ไปเป็นออสทีโอบลาสต์ (กระดูก) หรืออะดิโปไซต์ (ไขมัน) ซึ่งบ่งชี้ว่าที่ปริมาณต่ำ อนุภาคนาโนกราฟีนนั้นปลอดภัยสำหรับการใช้งานทางชีวการแพทย์^{[ 364 ]}ในปี 2013 งานวิจัยที่มหาวิทยาลัยบราวน์พบว่าเกล็ดกราฟีนที่มีชั้นบางๆ ขนาด 10 μm สามารถเจาะเยื่อหุ้มเซลล์ในสารละลายได้ พบว่าในตอนแรกจะเข้าไปทางจุดที่แหลมคมและขรุขระ ทำให้กราฟีนสามารถเข้าไปภายในเซลล์ได้ ผลกระทบทางสรีรวิทยาของเรื่องนี้ยังไม่เป็นที่ทราบแน่ชัด และยังคงเป็นสาขาที่ยังไม่ได้รับการสำรวจมากนัก^{[ 365 ] [ 366 ]}

• โบโรฟีน  – แอลโลโทรปของโบรอน
• คาร์บอนไฟเบอร์  – วัสดุผสมที่มีน้ำหนักเบา แข็งแรง และทนทานPages displaying short descriptions of redirect targets
• เพนตากราฟีน
• ฟาแกรฟีน
• พลัมบีน  – วัสดุที่ประกอบด้วยอะตอมของตะกั่วเพียงชั้นเดียว
• ซิลิซีน  – แอลโลโทรปสองมิติของซิลิคอน

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับกราฟีน

• วัสดุ 2 มิติสุดล้ำสมัยแห่งมหาวิทยาลัยแมนเชสเตอร์
• กราฟีนในตารางธาตุแห่งวิดีโอ (มหาวิทยาลัยนอตติงแฮม)
• กราฟีน: การจดสิทธิบัตรที่พุ่งสูงขึ้นเผยให้เห็นการแข่งขันระดับโลก
• 'การควบคุมทางวิศวกรรมสำหรับแผ่นกราฟีนขนาดนาโนระหว่างกระบวนการผลิตและการจัดการ' (PDF)
• โครงสร้างแถบพลังงานของกราฟีน (PDF)