El grafè, una forma bidimensional de carboni cristal·lí, ja sigui una sola capa d’àtoms de carboni que formen una gelosia (hexagonal) o diverses capes acoblades d’aquesta estructura de bresca. La paraula grafè, quan s'utilitza sense especificar la forma (per exemple, grafena multicapa, grafena multicapa), sol referir-se al grafene d'una sola capa. El grafè és una forma principal de totes les estructures gràfiques del carboni: el grafit, que és un cristall tridimensional format per capes de grafè relativament dèbilment acoblades; nanotubs, que poden ser representats com a rotllos del grafè; i buckyballs, molècules esfèriques fetes a partir del grafeno amb alguns anells hexagonals substituïts per anells pentagonals.
Primers estudis sobre el grafè
L’estudi teòric del grafè es va iniciar el 1947 pel físic Philip R. Wallace com a primer pas per comprendre l’estructura electrònica del grafit. El terme grafeni va ser introduït pels químics Hanns-Peter Boehm, Ralph Setton i Eberhard Stumpp el 1986 com a combinació de la paraula grafit, referida al carboni en la seva forma cristal·lina ordenada, i el sufix -ene, referint-se a hidrocarburs aromàtics policíclics en els quals els àtoms de carboni formen estructures anulars hexagonals o de sis cares.
L’any 2004, els físics de la Universitat de Manchester, Konstantin Novoselov i Andre Geim i col·laboradors van aïllar el grafè d’una sola capa mitjançant un mètode d’exfoliació extremadament senzill del grafit. El seu "mètode de cinta scotch" utilitzava cinta adhesiva per eliminar les capes superiors d'una mostra de grafit i després aplicar les capes a un material de substrat. Quan es va eliminar la cinta, es va quedar una mica de grafè al substrat en forma d'una sola capa. De fet, la derivació de grafè no és una tasca difícil per si mateixa; cada vegada que algú dibuixa amb un llapis sobre paper, el rastre de llapis conté una petita fracció de grafè d'una sola capa i multicapa. L’assoliment del grup de Manchester va ser no només aïllar els flocs de grafè sinó també l’estudi de les seves propietats físiques. En particular, van demostrar que els electrons del grafè tenen una mobilitat molt elevada, cosa que significa que el grafeno es podria utilitzar en aplicacions electròniques. El 2010, Geim i Novoselov van rebre el Premi Nobel de Física pel seu treball.
En aquests primers experiments, el substrat del grafè estava de silici cobert naturalment per una fina capa transparent de diòxid de silici. Va resultar que el grafè d'una sola capa va crear un contrast òptic amb el diòxid de silici que era prou fort per fer visible el grafeni sota un microscopi òptic estàndard. Aquesta visibilitat té dues causes. En primer lloc, els electrons del grafeno interaccionen molt fortament amb els fotons de les freqüències de la llum visible, absorbint al voltant del 2,3 per cent de la intensitat de la llum per capa atòmica. En segon lloc, el contrast òptic es veu fortament millorat pels fenòmens d’interferència a la capa de diòxid de silici; es tracta dels mateixos fenòmens que creen colors arc de Sant Martí en pel·lícules primes com el film de sabó o oli sobre l'aigua.
