גרפן, צורה דו ממדית של פחמן גבישי, או שכבה אחת של אטומי פחמן היוצרים סריג חלת דבש (משושה) או כמה שכבות צמודות של מבנה חלת דבש זה. המילה גרפן, בשימוש מבלי לציין את הצורה (למשל, גרפן דו-שכבתי, גרפן רב שכבתי), מתייחסת לרוב לגרפן שכבה בודדת. גרפן היא צורת אב של כל המבנים הגרפיטיים של פחמן: גרפיט, שהוא גביש תלת מימדי המורכב משכבות גרפן מצומדות יחסית חלשות; צינורות ננו, העשויים להיות מיוצגים כמגילות גרפן; וכדורי באקי, מולקולות כדוריות העשויות גרפן עם כמה טבעות משושה שהוחלפו על ידי טבעות מחומשות.
מחקרים ראשונים של גרפן
המחקר התיאורטי של גרפן החל בשנת 1947 על ידי הפיזיקאי פיליפ ר 'וואלאס כצעד ראשון להבנת המבנה האלקטרוני של הגרפיט. המונח גרפן הוצג על ידי הכימאים האנס-פיטר בוהם, ראלף ססטון ואברהרד שטאמפ בשנת 1986 כשילוב של המילה גרפיט, המתייחס לפחמן בצורתו הגבישית המסודרת, והסיומת -ן, בהתייחס לפחמימנים ארומטיים פוליציקליים בהם אטומי הפחמן יוצרים מבנים טבעתיים משושים, או דו צדדיים.
בשנת 2004 פיסיקאים מאוניברסיטת מנצ'סטר, קונסטנטין נובוסלוב ואנדרה גיים ועמיתיהם, בודדו גרפן שכבה אחת בשיטה פשוטה ביותר של פילינג מגרפיט. "שיטת קלטת הסרט שלהם" השתמשה בסרט הדבקה כדי להסיר את השכבות העליונות מדגימה של גרפיט ואז למרוח את השכבות על חומר מצע. עם הסרת הקלטת, נשאר גרפן כלשהו על המצע בצורת שכבה יחידה. למעשה, נגזרת של גרפן אינה משימה קשה בפני עצמה; בכל פעם שמישהו מצייר בעיפרון על נייר, סימן העיפרון מכיל שבריר קטן של גרפן שכבה אחת ורב שכבתית. ההישג של קבוצת מנצ'סטר היה לא רק לבודד פתיתי גרפן אלא גם לחקור את תכונותיהם הגופניות. בפרט, הם הדגימו כי אלקטרונים בגרפן הם בעלי ניידות גבוהה מאוד, מה שאומר שאפשר להשתמש בגרפן ביישומים אלקטרוניים. בשנת 2010 זכו גים ונובוסלוב בפרס נובל לפיזיקה על עבודתם.
בניסויים ראשונים אלה המצע לגרפן היה סיליקון מכוסה באופן טבעי בשכבה שקופה של דו תחמוצת הסיליקון. התברר כי גרפן שכבה אחת יצר ניגוד אופטי עם דו תחמוצת הסיליקון שהיה חזק מספיק בכדי להראות את הגרפן תחת מיקרוסקופ אופטי רגיל. לנראות זו שתי סיבות. ראשית, אלקטרונים בגרפן מקיימים אינטראקציה חזקה מאוד עם פוטונים בתדרי האור הנראים, וסופגים כ -2.3 אחוז מעוצמת האור לשכבה אטומית. שנית, הניגודיות האופטית מוגברת מאוד על ידי תופעות הפרעות בשכבת הדו-תחמוצת הסיליקון; אלה אותן תופעות שיוצרות צבעי קשת בסרטים דקים כמו סרט סבון או שמן על מים.
