グラフェン

グラフェンの概要

グラフェン（英: graphene）は、1層の炭素原子がsp2結合で組織されたシート状の物質で、その構造は蜂の巣のような六角形の格子を形成しています。グラフェンという名称は、関連する物質であるグラファイト（Graphite）から派生したものであり、実際、グラファイトは多くのグラフェンシートが積み重なった形で存在しています。グラフェンの炭素原子間の結合距離は約0.142 nmで、炭素同素体の基本的な構造を示しています。

特性と強度

ダイヤモンドよりも炭素同士の結合が強いと考えられ、平面内での強度は特に優れています。物理的に非常に頑丈で、引っ張り強度の面では最強の物質とされています。熱伝導性も非常に良く、電気の導通性においても優秀です。グラフェンは理想的には完全な六角形のセルから構成されており、五角形や七角形のセルが現れると、これらは格子欠陥として扱われます。これらの形状を制御することによって、さまざまな新しい形態のカーボンナノバッドが創造可能です。

発見経緯と製法

2000年代初頭までは、グラフェンを手に入れることは難しく、研究があまり進んでいませんでした。しかし、2004年にスコッチテープを用いた簡単な手法により、グラファイトからグラフェンを剥がすことができるメソッドが開発され、その後の応用研究は急速に進展しました。これに加え、炭化珪素を熱分解する方法や、化学的気相成長法（CVD）などの技術が確立され、グラフェンの生産が可能となりました。

電気・光学特性

グラフェンは、電子の移動度が非常に高いことで知られ、実験によると室温で15,000 cm²V⁻¹s⁻¹にも達しています。さらに、電気の伝導性が非常に高く、他の材料に比べても優れた特性を持っています。加えて、グラフェンは白色光の吸収率がわずか2.3%と高い透明性を持ちます。これらの特性により、スピントロニクスなどの新しい技術への応用が期待されています。

磁場と量子現象

グラフェンは、特に磁場中での振る舞いが興味深く、異常量子ホール効果を示します。この効果は、グラフェンが通常の量子ホール効果と1/2だけずれたホール伝導率を持つことに起因しています。このような特性は、グラフェンを用いた新しい技術の開発に寄与する可能性があります。

应用

グラフェンは、透明導電膜、電界効果トランジスタ、スーパーキャパシターバッテリーなど、さまざまな用途が期待されています。また、熊本大学では、酸化グラフェンによるSARSコロナウイルスの除去に関する研究も進められています。これからのエネルギー効率向上や新素材研究に寄与することが期待されています。

ポストグラフェン物質

最近では、グラフェンの各炭素原子が他の14族元素に置き換わった新しい材料、すなわちポストグラフェン物質も注目されています。特に、シリコンのハニカム構造であるシリセンの開発が進んでおり、新たな物理特性が期待されています。将来的には、これらの新しい材料がさらに進化し、新たな技術の発展に寄与することが予想されています。

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