グラフェン

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  単層グラフェン、酸化グラフェン、還元型酸化グラフェン、グラファイト
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グラフェンとは

グラフェンは炭素原子の単層からなる炭素の同素体の一つです。その構造は、炭素原子が六角形のハニカム格子状に配置された1原子分の厚さ（0.345 nm）のシートで、2004年に非常に簡単な方法で初めて単離および同定され、その後マンチェスター大学のGeim氏およびNovoselov氏が2010年にノーベル賞を受賞したことで、世界中で研究が進められています¹。

グラフェンは、様々な次元のカーボンナノ材料のビルディングブロックと考えられます。例えば、グラフェンをボール状に丸めると0次元のフラーレン、筒状に巻くと1次元のナノチューブ、積み重ねると3次元のグラファイトが得られます。グラフェンの炭素原子はsp²混成を示し、この混成軌道と１原子分の厚さとが、この材料に並外れた特性を与えています。その例としては、室温でも電子移動度および正孔移動度が非常に高い（＞10⁵ cm²V^-1s^-1）²、室温で非常に高い熱伝導率（＞4,000 Wm^-1K^-1）³、可視域の広い範囲で光の吸収率が2.3%⁴、機械的強度が鉄より300倍高い（等しい厚さのスチールと比較した場合、ヤング率はおよそ1 TPa）⁵、ヘリウムなどのガスに対して不透過性である点⁶が挙げられます。

グラフェンの製造、品質、デバイス工学においてまだ課題が残されているものの、電子センサーやトランジスタをはじめ、電池やスーパーキャパシタ、燃料電池、太陽電池などのエネルギー貯蔵およびエネルギー生成分野、タッチスクリーンおよびディスプレイ技術、照明ならびに複合材料などグラフェンを利用した数多くの新技術が実現されています。

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References

1. Novoselov KS, Geim AK, Morozov SV, Jiang D, Zhang Y, Dubonos SV, Grigorieva IV, Firsov AA. 2004. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 306(5696):666-669. https://doi.org/10.1126/science.1102896

2. Mayorov AS, Gorbachev RV, Morozov SV, Britnell L, Jalil R, Ponomarenko LA, Blake P, Novoselov KS, Watanabe K, Taniguchi T, et al. 2011. Micrometer-Scale Ballistic Transport in Encapsulated Graphene at Room Temperature. Nano Lett.. 11(6):2396-2399. https://doi.org/10.1021/nl200758b

3. Balandin AA, Ghosh S, Bao W, Calizo I, Teweldebrhan D, Miao F, Lau CN. 2008. Superior Thermal Conductivity of Single-Layer Graphene. Nano Lett.. 8(3):902-907. https://doi.org/10.1021/nl0731872

4. Nair RR, Blake P, Grigorenko AN, Novoselov KS, Booth TJ, Stauber T, Peres NMR, Geim AK. 2008. Fine Structure Constant Defines Visual Transparency of Graphene. Science. 320(5881):1308-1308. https://doi.org/10.1126/science.1156965

5. Lee C, Wei X, Kysar JW, Hone J. 2008. Measurement of the Elastic Properties and Intrinsic Strength of Monolayer Graphene. Science. 321(5887):385-388. https://doi.org/10.1126/science.1157996

6. Bunch JS, Verbridge SS, Alden JS, van der Zande AM, Parpia JM, Craighead HG, McEuen PL. 2008. Impermeable Atomic Membranes from Graphene Sheets. Nano Lett.. 8(8):2458-2462. https://doi.org/10.1021/nl801457b