GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2010

Chia sẻ: Ha Quynh | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:12

Thêm vào BST

Báo xấu

87
lượt xem 13
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giải Nobel Vật lý năm 2010 được trao cho Andre K. Geim và Konstantin S. Novoselov tại Đại học Manchester, Anh “do những thực nghiệm có tính đột phá liên quan đến vật liệu grafen (graphene) hai chiều”.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2010

GIẢI NOBEL VẬT LÝ NĂM 2010 Giải Nobel Vật lý năm 2010 được trao cho Andre K. Geim và Konstantin S. Novoselov tại Đại học Manchester, Anh “do những thực nghiệm có tính đột phá liên quan đến vật liệu grafen (graphene) hai chiều”. Giải Nobel Vật lý năm 2010 nhằm tôn vinh hai nhà khoa học gốc Nga có những đóng góp quyết định cho sự phát triển của grafen. Họ đã thành công trong việc chế tạo, cô lập, nhận dạng và xác định đặc tính của grafen.
A. K. Geim sinh năm 1958 tại Sochi, Nga. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lí năm 1987 tại Viện Vật lí chất rắn, Viện Hàn lâm Khoa học Nga ở Chernogolovka, Nga. Ông là giám đốc Trung tâm Khoa học trung gian và Công nghệ nanô, giáo sư vật lí và giáo sư Hội Hoàng gia London tại Trường Vật lí và Thiên văn của Đại học Manchester. Hiện nay, ông là công dân Đức. K. S. Novoselov sinh năm 1974 tại Nizhny Tagil, Nga. Ông bảo vệ luận án tiến sĩ Vật lí năm 2004 tại Đại học Nijmegen, Hà Lan. Ông là giáo sư và hội viên nghiên cứu Hội Hoàng gia London tại Trường Vật lí và Thiên văn của Đại học Manchester. Hiện nay, ông là công dân của cả Anh và Nga. Novoselov bắt đầu làm việc cùng với Geim từ khi là nghiên cứu sinh tại Hà Lan. Sau đó, Novoselov theo Geim tới nước Anh. Cả hai học tập và bắt đầu sự nghiệp của họ như các nhà vật lí ở nước Nga. Hiện nay họ đều là giáo sư ở Đại học Manchester. Geim và Novoselov đều thích vui đùa. Với các khối xây dựng mà họ được tùy ý sử dụng, họ cố gắng phát hiện ra một cái gì mới đôi khi chỉ bằng cách cho phép đầu óc của mình lang thang không mục đích. Người ta bao giờ cũng học được một cái gì đó trong quá trình như thế và ai biết được bạn thậm chí có thể “trúng quả”. Đó là trường hợp 7 năm trước đây, Geim và Novoselov phát hiện ra một băng dính cực tốt từ cảm hứng về khả năng của con thằn lằn Gecko có thể dính chặt vào ngay cả các bề mặt phẳng nhất. Trước đó, năm 1997 Geim tìm cách làm cho một con ếch bay lên trong từ trường. Đó là một cách khéo léo để minh họa các nguyên lí vật lí. Con ếch bay lên này đã đem lại cho Geim Giải Nobel Ig năm 2000 “vì làm cho con người trước tiên là cười và sau đó là suy nghĩ”. Một vảy mỏng của cacbon thông thường với bề dày chỉ một nguyên tử là đề tài nghiên cứu liên quan đến Giải Nobel Vật lí năm 2010. A.K.Geim và K.S.Novoselov đã chứng tỏ rằng rằng cacbon ở dạng phẳng như vậy có các tính chất khác thường bắt nguồn từ thế giới đặc biệt của vật lí lượng tử. Các vật liệu tinh thể hai chiều gần đây được nhiều nhà nghiên cứu quan tâm. Vật liệu đầu tiên trong trong lớp vật liệu mới này là grafen. Đó là một lớp nguyên tử cacbon có bề dày một nguyên tử. Grafen có một số tính chất đặc biệt và
do đó, nó được đặc biệt chú ý cả về nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng tương lai. Các tính chất điện tử của vật liệu hai chiều này dẫn tới chẳng hạn như hiệu ứng Hall lượng tử bất thường. Nó là một vật dẫn trong suốt có bề dày chỉ cỡ một nguyên tử. Nó cũng gây ra những tương tự với vật lý hạt cơ bản trong đó bao hàm một loại chui hầm đặc biệt gọi là chui hầm Klein. Hơn nữa, grafen có một số tính chất cơ và tính chất điện kì lạ. Grafen là một dạng của cacbon. Đó là một vật liệu hoàn toàn mới. Grafen không chỉ là vật liệu mỏng nhất mà còn là vật liệu cứng nhất từ trước đến nay. Nó cứng hơn cả thép nhưng lại dễ uốn. Grafen dẫn điện tốt như đồng và dẫn nhi ệt tốt hơn tất cả các vật liệu khác mà con người biết đến. Grafen gần như hoàn toàn trong suốt nhưng lại dày đặc đến mức ngay cả nguyên tử khí nhỏ nhất là hêli cũng không thể đi qua nó. Do đó, bài báo về grafen công bố trên tạp chí Science vào tháng 10 năm 2004 đã gây ra chấn động lớn trên khắp thế giới. Một mặt, các tính chất kì lạ của grafen cho phép các nhà khoa học kiểm tra các nền tảng lí thuyết của vật lí. Mặt khác, grafen có tiềm năng rất lớn về các ứng dụng thực tế trong đó bao gồm việc tạo ra các vật liệu mới và việc chế tạo thiết bị điện tử mới. Cacbon chưa chắc là nguyên tố hấp dẫn nhất trong Bảng hệ thống tuần hoàn Mendeleev. Nó là cơ sở của ADN và toàn bộ sự sống trên Trái Đất. Cacbon có thể tồn tại ở một số dạng khác nhau. Dạng phổ biến nhất của cacbon là grafit. Grafit bao gồm các lá cacbon với cấu trúc lục giác xếp chồng lên nhau. Kim cương là dạng siêu bền của cacbon tồn tại ở áp suất cao. Một dạng mới của phân tử cacbon có tên gọi là fullerene (Gi ải Nobel Hóa học 1996). Dạng phổ biến nhất của fulleren là C60. Dạng này chứa 60 nguyên tử cacbon và trông giống như một quả bóng đá được tạo thành từ 20 hình lục giác và 12 hình ngũ giác mà chúng cho phép uốn cong mặt phẳng thành mặt cầu. Một dạng chuẩn một chiều có liên quan của cacbon là các ống nanô cacbon được biết đến từ một vài thập kỷ trước và các ống nanô có tường có bề dày một nguyên tử bao quanh được biết đến từ năm 1993. Các ống nanô này có thể được tạo thành từ các lá grafen. Các lá này được cuộn lại để tạo ra các ống và các đầu của chúng là các nửa mặt cầu theo cùng một cách như các fulleren. Các
tính chất cơ học và điện tử của các ống nanô kim loại với tường có bề dày một nguyên tử bao quanh có nhiều sự tương tự như grafen. Grafit bao gồm các lá cacbon có bề dày một nguyên tử hình lục giác được xếp chồng lên nhau và các nhà nghiên cứu cho rằng không thể chế tạo một lá có bề dày một nguyên tử như vậy ở dạng cô lập. Do đó, điều gây ngạc nhiên cho cộng đồng vật lý là vào năm 2004, Geim, Novoselov và các cộng sự chỉ ra rằng một lớp có bề dày một nguyên tử như vậy có thể bị cô lập và nó bền vững. Lớp cacbon có bề dày một nguyên tử là cái chúng ta gọi là grafen. Các cấu trúc giống grafen cũng đã được biết đến từ những năm 1960 nhưng có những khó khăn thực nghiệm trong việc cô lập các lớp có bề dày một nguyên tử và người ta nghi ngờ rằng điều này có thể thực hiện được trên thực tế. Không dễ dàng thu được grafen – một vật liệu kì diệu có nguồn gốc từ grafit (than chì). Grafen có thể có trong các bút chì. Tuy nhiên, chúng ta thường không nhìn thấy những cái rõ ràng và đơn giản nhất. Grafen bao gồm các nguyên tử cacbon kết hợp với nhau thành một mạng phẳng giống như một hình rỗ tổ ong nhưng chỉ có bề dày một nguyên tử. Một milimet grafit thực tế gồm ba triệu lớp grafen chồng lên nhau. Các lớp liên kết yếu với nhau và do đó có thể dễ dàng bị xé rách và tách ra. Bất kì ai từng sử dụng bút chì thông thường đều có thể đã tạo ra các cấu trúc giống grafen mà không biết nó. Một bút chì chứa grafit và khi nó dịch chuyển trên một mảnh giấy, grafit bị xẻ thành các lớp mỏng mà chúng kết thúc trên giấy và tạo thành văn bản hoặc bức vẽ mà chúng ta cố gắng tạo ra. Một phần nhỏ của các lớp mỏng này sẽ chỉ chứa một vài lớp hoặc thậm chí là một lớp có bề dày một nguyên tử của grafit, nghĩa là grafen. Như vậy, khó khăn không phải là chế tạo ra các cấu trúc grafen mà là cô lập các lá riêng biệt đủ lớn nhằm nhận dạng và xác định các đặc tính của grafen và nhằm làm sáng tỏ các tính chất hai chiều duy nhất của nó. Đó là điều mà Geim, Novoselov và các cộng sự của họ đã thực hiện thành công.
Grafen là lớp nguyên tử cacbon có bề dày một nguyên tử được xếp chặt trong một mạng lục giác (hình rỗ tổ ong) với khoảng cách giữa hai nguyên tử cacbon là 0,142 nm. Nó là một vật liệu tinh thể hai chiều thực sự đầu tiên và nó đại diện cho lớp vật liệu hai chiều trong đó bao gồm chẳng hạn như các lớp có bề dày một nguyên tử của nitrua bo (BN) và đisunfua molipđen (MoS2) được chế tạo sau năm 2004. Cấu trúc điện tử của grafen khác với các vật liệu ba chiều thông thường. Mặt Fermi của grafen được đặc trưng bởi sáu hình nón kép. Trong grafen thuần túy (không pha tạp), mức Fermi nằm tại các điểm nối của các hình nón này. Do mật độ trạng thái của vật liệu bằng không ở điểm đó, độ dẫn điện của grafen thuần túy khá thấp và có bậc của lượng tử độ dẫn s~ e2/ h trong đó h là hằng số Planck và giá trị chính xác của hệ số tỷ lệ còn đang tranh luận. Tuy nhiên, có thể thay đổi mức Fermi bằng điện trường sao cho vật liệu trở thành vật liệu n pha tạp (với các điện tử) hoặc p pha tạp (với các lỗ trống) phụ thuộc vào chiều phân cực của trường tác dụng. Grafen cũng có thể được pha tạp bằng cách hấp phụ chẳng hạn như nước trên bề mặt của nó. Độ dẫn điện của grafen pha tạp là khá cao và ở nhiệt độ phòng thậm chí nó có thể cao hơn độ dẫn điện của đồng. Gần sát mức Fermi, các hệ thức tán sắc của các điện tử và các lỗ trống là tuyến tính. Do các khối lượng hiệu dụng được cho bởi độ cong của các vùng năng lượng, điều này tương ứng với khối lượng hiệu dụng không. Phương trình mô tả các kích thích trong grafen về hình thức giống như phương trình Dirac đối với các fecmion không có khối lượng chuyển động với vận tốc không đổi. Các điểm nối của các hình nón do đó được gọi là các điểm Dirac. Điều này dẫn đến các tương tự lý thú giữa grafen và vật lí hạt cơ bản. Những tương tự này đúng đối với các năng lượng lên tới gần 1eV và khi đó các hệ thức tán sắc bắt đầu trở thành phi tuyến. Một kết quả của hệ thức tán sắc đặc biệt này là hiệu ứng Hall lượng tử trở thành bất thường trong grafen. Grafen thực tế là trong suốt. Trong vùng quang, nó chỉ hấp thụ 2,3% ánh sáng. Thực ra số này được cho bởi pa, trong đó alà hằng số cấu trúc tinh tế xác định độ lớn của lực điện từ. Ngược với các hệ hai chiều dựa trên các chất bán
dấn ở nhiệt độ thấp, grafen giữ các tính chất hai chiều của nó ở nhiệt độ phòng. Grafen cũng có một số tính chất lý thú khác giống như các ống nanô cacbon như cứng hơn thép, dễ kéo giãn và uốn cong, dẫn nhiệt tốt hơn cả bạc. Grafen cũng đã được nghiên cứu về mặt lý thuyết bởi P.R.Wallace năm 1947 như một ví dụ sách giáo khoa đối với các tính toán trong vật lí chất rắn. Ông đã dự đoán cấu trúc điện tử và lưu ý hệ thức tán sắc tuyến tính. Phương trình sóng đối với các kích thích đã được đưa ra bởi J.W.McClure năm 1956 và tính tương tự với phương trình Dirac đã được thảo luận bởi G.W.Semenoff năm 1984. Trước năm 2004, các nhà nghiên cứu cho rằng không thể cô lập của các lá grafen bền vững. Một điều làm cho các nhà vật lí hết sức ngạc nhiên là nhóm của Geim, Novoselov cùng các cộng sự tại Đại học Manchester và Viện Công nghệ vi điện tử ở Chernogolovka (Nga) đã làm được điều này một cách chính xác. Họ đã công bố các kết quả của họ trên tạp chí Science vào tháng 10 năm 2004. Trong bài báo này, họ đã mô tả việc chế tạo, nhận dạng và biểu thị đặc trưng của grafen. Họ đã sử dụng một phương pháp tróc vảy cơ học đơn giản nhưng có hiệu quả để lấy các lớp grafit mỏng ra khỏi một tinh thể grafit với băng Ê cốt và sau đó gắn các lớp này lên chất nền silic. Phương pháp này do nhóm của R.Ruoff đề xuất đầu tiên nhưng nhóm này không thể tạo ra bất kì đơn lớp nào. Nhóm Manchester đã thành công bằng cách sử dụng một phương pháp quang và nhờ đó có thể tạo ra các mảnh nhỏ chỉ gồm một vài lớp. Trong một số trường hợp, các vảy này được tạo thành chỉ từ lớp có bề dày một nguyên tử, nghĩa là tạo ra được grafen. Hơn nữa, họ tìm cách khuôn grafen vào trong một thanh Hall và nối các điện cực với nó. Theo cách này, họ có thể đo được điện trở dọc và điện trở Hall. Một số liệu quan trọng là hiệu ứng trường lưỡng cực trong đó điện trở đo được là hàm của điện trường theo hướng vuông góc với mẫu. Điện trở suất của lá có một cực đại và giảm xuống ở cả hai phía của cực đại. Điều này chỉ ra sự pha tạp tăng lên của các điện tử về phía bên phải và các lỗ trống về phía bên trái của cực đại. Lưu ý rằng điện trở suất cực đại của lá cỡ 9 kWmà nó có bậc độ lớn của lượng tử điện trở. Một khi công nghệ để chế tạo, nhận dạng và gắn các cực vào các lớp grafen đã được thiết lập, cả nhóm Manchester và và các nhóm khác nhanh chóng
tạo ra nhiều thực nghiệm mới. Chúng bao gồm các nghiên cứu hiệu ứng Hall lượng tử bất thường và việc chế tạo các vật liệu tinh thể hai chiều khác như các các đơn lớp của BN. Ngoài phương pháp tróc vảy, các cách nuôi các màng cacbon rất mỏng cũng đã được nghiên cứu đặc biệt bởi nhóm của W.A.de Heer tại Georgia Tech. Họ xây dựng một phương pháp để “nung cho tróc” silic ra khỏi bề mặt cacbua silic (SiC) và để lại một lớp cacbon mỏng. Điều này đã được thực hiện bằng cách nung nóng tinh thể SiC tới gần 1300oC. Một số nhóm trước đây đã sử dụng phương pháp này nhưng các nghiên cứu này tập trung vào khoa học bề mặt và không có các phép đo vận chuyển. Tháng 12 năm 2004 chỉ hai tháng sau khi công bố bài báo của Novoselov và cộng sự, nhóm của de Heer công bố bài báo đầu tiên của họ về các phép đo vận chuyển trên các màng cacbon mỏng. Họ đã giới thiệu từ trở và cả một hiệu ứng điện trường yếu. de Heer và các cộng sự cũng giữ một bầng sáng chế về cách chế tạo các thiết bị điện tử từ các lớp mỏng của cacbon. Nhóm của P. Kim tại Đại học Columbia nghiên cứu một cách tiếp cận khác để chế tạo các lớp cacbon mỏng. Họ gắn một tinh thể grafit với đầu của một kính hiển vi lực nguyên tử và kéo nó dọc theo một bề mặt. Bằng cách đó, họ đã chế tạo các lớp grafit mỏng xuống tới gần 10 lớp. Như đề cập ở trên, hệ thức tán sắc phi tuyến là nguyên nhân của hiệu ứng Hall lượng tử bất thường. Điều này đã được chứng minh một cách độc lập bởi hai nhóm là nhóm Manchester và nhóm của P.Kim. Cả hai nhóm hiện nay đều sử dụng phương pháp tróc vảy. Hai bài báo được công bố trong cùng một số của tạp chí Nature vào tháng 11 năm 2005. Từ năm 2005 sự phát triển trong lĩnh vực nghiên cứu này thật sự bùng nổ. Số bài báo liên quan đến grafen và các tính chất của nó ngày càng tăng. Các lớp đôi của grafen có những tính chất khác với các lớp đơn và được nghiên cứu một cách hoàn chỉnh. Các nhà nghiên cứu đã tiến hành các nghiên cứu hiệu ứng Hall lượng tử phân số trong grafen ở các từ trường cao.Các nghiên cứu tính chất cơ của grafen chứng tỏ rằng grafen cực kỳ cứng và cứng hơn 100 lần so với thép cứng
nhất. Một phát hiện quan trọng khác là sự hấp thụ ánh sang trong grafen lien quan tới hằng số cấu trúc tinh tế như đã đề cập ở trên. Cũng có một số bài báo quan trọng mô tả những tương tự với vật lí hạt cơ bản trên cơ sở phương trình Dirac. Sự tương tự hình thức giữa các kích thích trong graffen và các fecmion Dirac hai chiều cho phép kiểm tra hiệu ứng chui hầm Klein mà nó được phát biểu bởi nhà vật lí Thụy Điển Oskar Klein vào năm 1929. Hiện tượng này dự đoán rằng một hàng rào chui hầm có thể trở nên hoàn toàn trong suốt đối với sự tới vuông góc của các hạt không có khối lượng. Trong các điều kiện nào đó, sự trong suốt cũng có thể dao động như một hàm của năng lượng. Điều này có thể được kiểm tra trong grafen. Đó là ý tưởng của Katsnelson, Geim và Novoselov năm 2006 và ý tưởng này đã được Young và Kim chứng minh năm 2009. Geim và Novoselov dùng băng dính để xé rách các vảy mỏng của một mẩu grafit lớn hơn theo một cách có phương pháp hơn. Lúc đầu họ có các vảy bao gồm nhiều lớp grafen và khi họ lặp lại việc dùng băng dính để xé rách vảy mười đến hai mươi lần thì các vảy ngày càng mỏng đi. Bước tiếp theo là tìm các mảnh nhỏ grafen trong số các lớp grafit dày hơn và các mẩu cacbon khác. Đó là khi họ có một ý tưởng tuyệt vời thứ hai là để có thể nhìn thấy các kết quả của việc làm tỉ mỉ của họ, các nhà khoa học ở Manchester quyết định gắn các vảy vào một tấm silic bị ôxi hóa. Tấm silic này là vật liệu thông thường trong công nghiệp bán dẫn. Khi tấm silic có gắn các vảy được đặt trong một kính hiển vi thông thường, Geim và Novoselov nhìn thấy một cầu vồng nhiều màu sắc giống như cái được nhìn thấy khi dầu loang ra trên nước. Khi đó, họ xác định được số các lớp grafen ở trong các vảy. Bề dày của lớp điôxit silic lót bên dưới là yếu tố quyết định để phát hiện ra grafen. Dưới kính hiển vi, grafen được quan sát thấy như một vật liệu tinh thể hai chiều thực sự tồn tại ở nhiệt độ phòng. Grafen là một mạng đều lý tưởng của cacbon theo hai chiều là chiều rộng và chiều dài. Ô mạng cơ sở của hệ này gồm sáu nguyên tử cacbon liên kết hóa học với nhau. Grafen cũng như một số dạng cacbon khác đã biết bao gồm hàng tỷ nguyên tử cacbon liên kết với nhau theo một hệ lục giác.
Dĩ nhiên là luôn luôn tồn tại grafen và điều quan trọng là làm thế nào để phát hiện nó. Tương tự, các dạng cacbon khác có mặt trong tự nhiên xuất hiện trước mắt các nhà khoa học khi họ quan sát chúng theo một cách khác. Đầu tiên là các ống nanô và sau đó là các quả bóng rỗng của cacbon gọi là fulleren. Grafit là một vật liệu cơ bản có mặt trong tự nhi ên. Khi “bị tháo rời”, các lá grafit trờ thành grafen. Một lớp grafen cuộn lại tạo thành một ống nanô cacbon, còn khi gấp lại nó trở thành một quả bóng nhỏ gọi là fulleren. Nhiều nhà khoa học nghĩ rằng không thể cô lập các vật liệu mỏng như thế. Các vật liệu này bị gấp nếp ở nhiệt độ phòng hoặc thậm chí bị biến mất. Ngoài ra, một số nhà nghiên cứu đã thất bại trong các cố gắng chế tạo ra grafen. Trước đây, người ta có thể thu được các màng với bề dày nhỏ hơn 100 nguyên tử. Quả thực, một số lớp thậm chí mỏng đến mức chúng nhìn suốt qua được. Một cách thu được grafen từ grafit là đưa các chất hóa học vào giữa các lớp nguyên tử để làm yếu lien kết giữa chúng và sau đó tách các lớp ra. Một cách khác đơn giản là cạo cho tróc ra các lớp grafit. Nó cũng đã được thử thành công để “nung cho tróc” silic ra khỏi các tinh thể cacbua silic. Ở các nhiệt độ rất cao, các lớp cacbon mỏng bị bỏ lại. Các kỹ thuật nuôi epitaxi khác nhau nhằm chế tạo các vật liệu bán dẫn khác nhau là các kỹ thuật có triển vọng nhất để chế tạo grafen dùng trong công nghiệp điện tử. Các cuộn lá grafen rộng 70 cm là thiết bị grafen lớn nhất từ trước đến nay đã được chế tạo. Geim và Novoselov chỉ có thể thu được các vảy với kích thước micrômét của vật liệu mới. Ngoài kích thước nhỏ, bây giờ họ có thể bắt đầu nghiên cứu hai đặc điểm đáng chú ý nhất của grafen mà chúng có ảnh hưởng đến các tính chất điện của grafen. Đặc điểm thứ nhất là thành phần gần như lý tưởng của grafen. Trật tự gần như hoàn chỉnh là do liên kết mạnh của các nguyên tử cacbon. Đồng thời các liên kết đủ mềm dẻo để cho phép lưới bị kéo căng lên tới 20% kích thước ban đầu của nó. Mạng cũng cho phép các điện tử đi được các khoảng cách lớn trong grafen mà không gây nhiễu. Trong các vật dẫn thông thường, các điện tử thường nẩy như bi trong máy trò chơi lăn bi ghim. Sự nảy này làm yếu hiệu suất của vật dẫn.
Đặc điểm có một không hai khác của grafen là ở chỗ các điện tử trong grafen có dáng điệu giống như các hạt ánh sáng. Đó là các photon không có khối lượng mà trong chân không chúng không ngừng chuyển động về phía trước với tốc độ 300 triệu mét trên giây. Tương tự, các điện tử trong grafen có dáng điệu như thể chúng không có khối lượng và chuyển động về phía trước với một tốc độ không đổi là một triệu mét trên giây. Điều này mở ra khả nâng nghiên cứu các hiện tượng nào đó dễ dàng hơn trên một phạm vi nhỏ hơn, nghĩa là không cần sử dụng một máy gia tốc hạt lớn. Grafen cũng cho phép các nhà khoa học kiểm tra một số hiệu ứng lượng tử mà từ trước đến nay chúng chỉ được thảo luận trên phương diện lý thuyết. Một hiện tượng như thế là một biến thể của hiệu ứng chui hầm Klein. Hiệu ứng chui hầm trong vật lí lượng tử mô tả cách thức để các hạt đôi khi có thể đi qua một hàng rào mà bình thường chúng không đi qua được. Hàng rào càng lớn thì cơ hội của các hạt lượng tử đi qua hàng rào càng nhỏ. Tuy nhiên, điều này không áp dụng được cho các điện tử trong grafen. Trong một số trường hợp, các điện tử trong grafen chuyển động về phía trước như thể không có hàng rào. Các nhà nghiên cứu rất quan tâm đến các ứng dụng thực tế của grafen. Từ trước đến nay, hầu hết các ứng dụng này chỉ nằm trong mơ ước của chúng ta. Geim và Novoselov là những người đàu tiên kiểm tra nhiều ứng dụng thực tế của grafen. Grafen có một số tính chất kì lạ như đã đề cập ở trên và những tính chất này làm cho grafen được quan tâm đối với một số ứng dụng khác nhau. Nó là một vật dẫn mỏng nhất, rất cứng chắc về mặt cơ học, trong suốt và dễ uốn. Độ dẫn của nó có thể thay đổi trong một phạm vi rộng bằng sự pha tạp hóa học hoặc điện trường. Độ linh động của grafen là rất cao và điều đó làm cho grafen được đặc biệt quan tâm đối với các ứng dụng điện tử cao tần. Gần đây, người ta đã chế tạo các lá grafen lớn với bề rộng 70 cm bằng các phương pháp gần như công nghiệp. Khả năng dẫn của grafen thu hút sự chú ý đặc biệt của các nhà khoa học và công nghệ. Trong tương lai, các tranzito làm bằng grafen được chế tạo nhanh hơn rất nhiều so với các tranzito làm bằng silic hiện nay. Để các vi mạch máy tính
trở nên nhanh hơn và có hiệu quả năng lượng cao hơn, chúng cần phải nhỏ hơn. Silic tạo ra một giới hạn kích thước mà ở đó vật liệu không còn chức nâng. Giới hạn đối với grafen thậm chí còn thấp hơn và do đó có thể lắp đặt nhiều linh kiện hơn trên vi mạch nếu các linh kiện được chế tạo từ grafen. Một sự kiện rất quan trọng đã xảy ra một vài năm trước đây khi một linh kiện rất quan trọng là một tranzito grafen được giới thiệu. Tranzito này cũng nhanh như tranzito silic. Có thể chúng ta sắp thu nhỏ các thiết bị điện tử và điều đó dẫn đến các máy tính trở nên có hiệu quả hơn trong tương lai. Cho đến bây giờ, chưa có các máy tính grafen nhưng trong tương lai, các màn hình máy tính grafen trong suốt mỏng như tờ giấy có thể được cuộn lại và cho vào trong túi xách tay sẽ xuất hiện trên thị trường. Do grafen thực tế là trong suốt (lên tới gần 98%) đồng thời có khả năng dẫn điện, nó thích hợp cho việc chế tạo các màn chắn tiếp xúc, bảng ánh sáng và pin mặt trời mà ở đó nó có thể thay thế inđi - thiếc - ô xit (ITO) dễ gãy vỡ và tốn kém. Các vật dẫn điện tử cũng có thể tạo ra các chất dẻo nếu chỉ cần 1% grafen được trộn vào trong chúng. Cũng vậy, bằng cách trộn vào chỉ một phần nhỏ trong một phần nghìn grafen, nhiệt trở của của các chất dẻo tăng 30oC trong lúc đồng thời làm cho các chất dẻo cứng chắc hơn về mặt cơ học. Tính đàn hồi này có thể được sử dụng trong các vật liệu siêu cứng mới mà chúng cũng mỏng, co dãn và nhẹ. Trong tương lai, các vệ tinh, máy bay và xe ôtô có thể được chế tạo từ các vật liệu phức hợp mới. Các loại vật liệu phức hợp mới dựa trên grafen có những tính chất ưu việt như độ cứng lớn và trọng lượng nhỏ. Cấu trúc lí tưởng của grafen cũng làm cho nó thích hợp cho việc chế tạo các cảm biến cực nhạy. Các cảm biến này có thể ghi nhận thậm chí các mức ô nhiễm nhỏ nhất. Thậm chí có thể phát hiện ra một đơn phân tử bị bề mặt grafen hấp thụ. Hiệu ứng Hall lượng tử trong grafen cũng có thể đóng góp vào một chuẩn điện trở thậm chí chính xác hơn trong hệ đơn vị đo lường. Sự phát triển của grafen mở ra những khả năng mới cho khoa học và công nghệ. Grafen là vật liệu tinh thể hai chiều đầu tiên và nó có những tính chất
độc nhất vô nhị. Điều đó làm cho grafen thu hút sự quan tâm đặc biệt cả về nghiên cứu cơ bản và các ứng dụng tương lai. Phát minh quan trọng đã được thực hiện bởi Geim, Novoselov và các cộng sự của họ. Một bài báo năm 2004 của họ đã châm lửa cho sự phát triển.