الجرافين

في عام 1859، لاحظ بنجامين برودي البنية الصفائحية العالية لأكسيد الجرافيت المختزل حراريًا . ^{[ 22 ] [ 23 ]} استخدم الباحثون علم البلورات بالأشعة السينية في محاولة لتحديد بنية الجرافيت. ساهم نقص عينات الجرافيت أحادية البلورة الكبيرة في التطوير المستقل لتقنية حيود مسحوق الأشعة السينية بواسطة بيتر ديباي وبول شيرر في عام 1915، وألبرت هول في عام 1916. ^{[ 24 ] [ 25 ] [ 26 ]} ومع ذلك، لم تكن أي من البنيتين المقترحتين صحيحة. في عام 1918، وصف فولكمار كولشوتير وب. هاني خصائص ورق أكسيد الجرافيت . ^{[ 27 ]} تم تحديد بنية الجرافيت بنجاح من خلال حيود الأشعة السينية أحادي البلورة بواسطة جيه دي برنال في عام 1924، ^{[ 28 ]} بينما عدّلت الأبحاث اللاحقة معلمات وحدة الخلية . ^{[ 29 ] [ 30 ]}

استكشف بي آر والاس نظرية الجرافين لأول مرة عام 1947 كنقطة انطلاق لفهم الخصائص الإلكترونية للجرافيت ثلاثي الأبعاد. وأشار جوردون والتر سيمينوف [ ^{31 ]} وديفيد بي فينسينزو ويوجين جيه ميلي [32] بشكل منفصل إلى معادلة ديراك عديمة الكتلة الناشئة. ^{وأكد سيمينوف على} وجود مستوى لاندو إلكتروني في مجال مغناطيسي عند نقطة ديراك تحديدًا . هذا المستوى مسؤول عن تأثير ^هول الكمي الشاذ ذي العدد الصحيح . ^{[ 33 ] [ 34 ] [ 35 ]}

نُشرت صور مجهرية إلكترونية نافذة (TEM) لعينات رقيقة من الجرافيت تتكون من بضع طبقات من الجرافين بواسطة جي. رويس وإف. فوغت عام 1948. ^{[ 36 ]} وفي وقت لاحق، لُوحظت طبقات مفردة مباشرةً. ^{[ 37 ]} كما لُوحظت طبقات مفردة من الجرافيت بواسطة المجهر الإلكتروني النافذ داخل المواد الصلبة، وخاصة داخل السخام الناتج عن التقشير الكيميائي . ^{[ 38 ]}

في الفترة من عام 1961 إلى عام 1962، نشر هانز-بيتر بوهم دراسةً حول رقائق الجرافيت الرقيقة للغاية. ^{[ 39 ]} وقد قاس الباحثون رقائق صغيرة يصل حجمها إلى حوالي 0.4 نانومتر ، أي ما يعادل ثلاث طبقات ذرية من الكربون غير المتبلور. وكانت هذه أفضل دقة ممكنة للمجاهر الإلكترونية النافذة (TEM) في ستينيات القرن العشرين. ومع ذلك، يستحيل التمييز بين الجرافين أحادي الطبقة المعلق والجرافين متعدد الطبقات من خلال تباينات صور المجهر الإلكتروني النافذ، والطريقة الوحيدة المعروفة هي تحليل الشدة النسبية لبقع الحيود المختلفة. ^{[ 37 ]} ومن المرجح أن أولى الملاحظات الموثوقة للطبقات الأحادية باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ وردت في المرجعين 24 و26 من مراجعة جيم ونوفوسيلوف لعام 2007. ^{[ 2 ]}

في عام 1975، قام فان بوميل وزملاؤه بتنمية طبقة أحادية من الجرافيت فوق كربيد السيليكون بطريقة الترسيب الطبقي . ^{[ 40 ]} كما قام آخرون بتنمية طبقات أحادية من ذرات الكربون على مواد أخرى. ^{[ 41 ] [ 42 ]} يتكون هذا "الجرافين الطبقي" من شبكة سداسية بسمك ذرة واحدة من ذرات الكربون المرتبطة بروابط sp² ^، كما هو الحال في الجرافين الحر. ومع ذلك، يوجد انتقال كبير للشحنة بين المادتين، وفي بعض الحالات، يحدث تهجين بين مدارات d لذرات الركيزة ومدارات π للجرافين، مما يُغير بشكل كبير البنية الإلكترونية مقارنةً بالجرافين الحر.

صاغ بوهم وآخرون مصطلح "الجرافين" لوصف البنية أحادية الطبقة الافتراضية عام 1986. ^{[ 43 ]} استُخدم المصطلح مجددًا عام 1987 لوصف صفائح الجرافيت المفردة كمكون من مكونات مركبات الجرافيت المتداخلة ، ^{[ 44 ]} والتي يمكن اعتبارها أملاحًا بلورية للمادة المتداخلة والجرافين. كما استُخدم المصطلح في وصف أنابيب الكربون النانوية من قِبل ر. سايتو وميلدريد وجين دريسلهاوس عام 1992، ^{[ 45 ]} وفي وصف الهيدروكربونات العطرية متعددة الحلقات عام 2000 من قِبل س. وانغ وآخرين. ^{[ 46 ]}

بدأت الجهود المبذولة لإنتاج أغشية رقيقة من الجرافيت بتقنية التقشير الميكانيكي في عام 1990. ^{[ 47 ]} استخدمت المحاولات الأولية تقنيات تقشير مشابهة لطريقة السحب.  وتم الحصول على عينات متعددة الطبقات بسماكة تصل إلى 10 نانومتر. ^{[ 2 ]}

في عام 2002، تقدم روبرت ب. رذرفورد وريتشارد ل. دودمان بطلب للحصول على براءة اختراع في الولايات المتحدة الأمريكية لطريقة إنتاج الجرافين عن طريق تقشير طبقات متكررة من رقاقة جرافيت ملتصقة بركيزة، مما أدى إلى الحصول على سمك جرافيت يبلغ 0.00001 بوصة (0.00025 مليمتر ) . ويكمن سر النجاح في القدرة على تحديد رقائق الجرافين على الركيزة بسرعة وكفاءة باستخدام المجهر الضوئي، الذي وفر تباينًا صغيرًا ولكنه واضح بين الجرافين والركيزة. ^{[ 48 ]}

تم تقديم براءة اختراع أمريكية أخرى في نفس العام من قبل بور زد. جانغ ووين سي. هوانغ لطريقة إنتاج الجرافين عن طريق التقشير متبوعًا بالتآكل. ^{[ 49 ]}

في عام 2014، حصل المخترع لاري فولرتون على براءة اختراع لعملية إنتاج صفائح الجرافين أحادية الطبقة بفضل الخصائص المغناطيسية المعاكسة القوية للجرافين. ^{[ 50 ]}

تم عزل الجرافين وتوصيفه بدقة في عام 2004 على يد أندريه جيم وكونستانتين نوفوسيلوف في جامعة مانشستر . ^{[ 10 ] [ 11 ]} وقد قاما بفصل طبقات الجرافين من الجرافيت باستخدام شريط لاصق عادي في عملية تُعرف باسم الفصل الميكانيكي الدقيق، أو ما يُشار إليه عادةً بتقنية الشريط اللاصق. ^{[ 51 ]} ثم نُقلت رقائق الجرافين إلى طبقة رقيقة من ثاني أكسيد السيليكون على صفيحة سيليكون . عزلت السيليكا الجرافين كهربائيًا وتفاعلت معه بشكل ضعيف، مما أدى إلى تكوين طبقات جرافين شبه متعادلة الشحنة. أما السيليكون الموجود أسفل طبقة ثاني أكسيد السيليكون، فقد تم عزله وتوصيفه بدقة._{يمكن استخدام 2} كقطب "بوابة خلفية" لتغيير كثافة الشحنة في الجرافين على نطاق واسع.

أسفر هذا العمل عن فوز العالمين بجائزة نوبل في الفيزياء عام 2010 لتجاربهما الرائدة على الجرافين. ^{[ 51 ] [ 52 ] [ 53 ]} وقد أدى نشر بحثهما، بالإضافة إلى طريقة التحضير السهلة بشكلٍ مدهش التي وصفاها، إلى انطلاق موجة بحثية واسعة النطاق حول الجرافين. توسعت الأبحاث وتفرعت إلى العديد من المجالات الفرعية المختلفة، لاستكشاف خصائص استثنائية متنوعة لهذه المادة، مثل الخصائص الكمومية والكهربائية والكيميائية والميكانيكية والبصرية والمغناطيسية، وغيرها.

منذ مطلع الألفية الثانية، عملت العديد من الشركات ومختبرات الأبحاث على تطوير تطبيقات تجارية للجرافين. وفي عام ٢٠١٤، أُنشئ المعهد الوطني للجرافين  لهذا الغرض في جامعة مانشستر، بتمويل أولي قدره ٦٠ مليون جنيه إسترليني. ^{[ ٥٤ ]} وفي شمال شرق إنجلترا، بدأت شركتان تجاريتان، هما "أبلايد جرافين ماتيريالز" ^{[ ٥٥ ]} و"توماس سوان ليمتد" ^{[ ٥٦ ] [ ٥٧ ]} ، عمليات التصنيع. أما "كامبريدج نانوسيستمز" ^{[ ٥٨ ]} فهي منشأة ضخمة لإنتاج مسحوق الجرافين في شرق أنجليا .

تشغل ثلاثة من إلكترونات الغلاف الخارجي الأربعة لكل ذرة في طبقة الجرافين ثلاثة مدارات مهجنة من نوع ^sp² - وهي مزيج من المدارات s و pₓ _و pᵧ _- تتشاركها الذرات الثلاث الأقرب إليها، مُكَوِّنةً روابط سيجما. يبلغ طول هذه الروابط حوالي 0.142 نانومتر. ^{[ 61 ] [ 62 ]}

يشغل الإلكترون المتبقي في الغلاف الخارجي مدارًا ap _z متعامدًا على المستوى. تتهجن هذه المدارات معًا لتكوين نطاقين نصف ممتلئين من الإلكترونات الحرة الحركة، π و π*، وهما المسؤولان عن معظم الخصائص الإلكترونية البارزة للجرافين. ^{[ 61 ]} تتوافق التقديرات الكمية الحديثة لاستقرار المركبات العطرية وحجمها الحدي، المستمدة من حرارة الهدرجة (ΔH _hydro )، بشكل جيد مع التقارير المنشورة. ^{[ 63 ]}

تتراص صفائح الجرافين لتشكيل الجرافيت بمسافة بينية تبلغ 0.335 نانومتر (3.35 أنجستروم ) . ^{[ 64 ]}  

تُظهر صفائح الجرافين في حالتها الصلبة عادةً أدلةً في حيود الأشعة السينية على وجود طبقات الجرافيت (002). وينطبق هذا على بعض البنى النانوية أحادية الجدار. ^{[ 65 ]} مع ذلك، لوحظ وجود جرافين غير مُطبق يُظهر حلقات (hk0) فقط في لبّ بلورات الجرافيت ما قبل الشمسية . ^{[ 66 ]} تُظهر دراسات المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) وجود أوجه عند العيوب في صفائح الجرافين المسطحة ^{[ 67 ]} ، مما يُشير إلى دور التبلور ثنائي الأبعاد من الحالة المنصهرة.

يمكن رؤية بنية الشبكة السداسية للجرافين أحادي الطبقة المعزول مباشرةً باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) لصفائح الجرافين المعلقة بين قضبان شبكة معدنية. ^{[ 37 ]} أظهرت بعض هذه الصور تموجًا في الصفيحة المسطحة، بسعة تبلغ حوالي نانومتر واحد. قد تكون هذه التموجات متأصلة في المادة نتيجةً لعدم استقرار البلورات ثنائية الأبعاد، ^{[ 2 ] [ 68 ] [ 69 ]} أو قد تنشأ من الأوساخ المنتشرة في جميع صور الجرافين الملتقطة بالمجهر الإلكتروني النافذ. قد تكون بقايا المقاوم الضوئي ، التي يجب إزالتها للحصول على صور بدقة ذرية، هي " المواد الممتزة " الملاحظة في صور المجهر الإلكتروني النافذ، وقد تفسر التموجات المرصودة. ^{[ 70 ]}

كما تظهر البنية السداسية في صور المجهر النفقي الماسح (STM) للجرافين المدعوم على ركائز ثاني أكسيد السيليكون ^{[ 71 ].} ويعود التموج الظاهر في هذه الصور إلى توافق الجرافين مع شبكة الركائز، وهو ليس خاصية جوهرية. ^{[ 71 ]}

تُظهر حسابات المبادئ الأولية أن صفيحة الجرافين غير مستقرة ديناميكيًا حراريًا إذا كان حجمها أقل من حوالي 20  نانومترًا، وتصبح الفوليرين الأكثر استقرارًا (كما هو الحال داخل الجرافيت) فقط للجزيئات الأكبر من 24000 ذرة. ^{[ 72 ]}

تفقد الإلكترونات التي تنتشر عبر شبكة الجرافين السداسية كتلتها فعلياً، مما ينتج عنه جسيمات شبهية ^تُوصف بمعادلة ديراك ثنائية الأبعاد بدلاً من معادلة شرودنغر للجسيمات ذات اللف المغزلي 1/2 . ^{[ 73 ] [} 74 ^]

أدت تقنية الفصل مباشرةً إلى أول رصد لتأثير هول الكمومي الشاذ في الجرافين عام 2005 من قِبل مجموعة جيم وفيليب كيم ويوانبو تشانغ . وقدّم هذا التأثير دليلاً مباشراً على طور بيري المتوقع نظرياً للجرافين، والمكون من فرميونات ديراك عديمة الكتلة، وبرهاناً على طبيعة فرميونات ديراك للإلكترونات. ^{[ 33 ] [ 35 ]} وقد رُصدت هذه التأثيرات سابقاً في الجرافيت الصلب من قِبل ياكوف كوبيليفيتش وإيغور أ. لوكيانتشوك وآخرين، في الفترة 2003-2004. ^{[ 75 ] [ 76 ]}

عند وضع الذرات على الشبكة السداسية للجرافين، يكون التداخل بين مدارات p _z (π) ومدارات s أو p _x و p _{y معدومًا بسبب التناظر. لذلك، يمكن التعامل مع إلكترونات} p _z التي تُشكّل نطاقات π في الجرافين بشكل مستقل. ضمن هذا التقريب لنطاقات π، وباستخدام نموذج الربط المحكم التقليدي ، تكون علاقة التشتت (المقتصرة على تفاعلات الجوار الأول فقط) التي تُنتج طاقة الإلكترونات ذات متجه الموجة k هي: ^{[ 31 ] [ 77 ]}

${\displaystyle E(k_{x},k_{y})=\pm \,\gamma _{0}{\sqrt {1+4\cos ^{2}{{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}+4\cos {{\tfrac {1}{2}}ak_{x}}\cdot \cos {{\tfrac {\sqrt {3}}{2}}ak_{y}}}}}$

مع طاقة القفز بين أقرب الجيران (مدارات π) γ ₀ ≈2.8  إلكترون فولت وثابت الشبكة a ≈2.46  أنغستروم . تتوافق نطاقات التوصيل والتكافؤ مع الإشارات المختلفة. بوجود إلكترون واحد من نوع p _z لكل ذرة في هذا النموذج، يكون نطاق التكافؤ مشغولًا بالكامل، بينما يكون نطاق التوصيل فارغًا. يتلامس النطاقان عند زوايا المنطقة ( النقطة K في منطقة بريلوين)، حيث تكون كثافة الحالات صفرًا ولكن لا توجد فجوة نطاق. وبالتالي، يُظهر الجرافين خصائص شبه فلزية (أو شبه موصل ذو فجوة نطاق صفرية)، على الرغم من أن هذا لا ينطبق على صفيحة جرافين ملفوفة على شكل أنبوب نانوي كربوني بسبب انحنائها. نقطتان من نقاط ديراك الست مستقلتان، بينما البقية متكافئة بالتناظر. بالقرب من النقاط K ، تعتمد الطاقة خطيًا على متجه الموجة، على غرار الجسيم النسبي. ^{[ 31 ] [ 78 ]} نظرًا لأن الخلية الأولية للشبكة تتكون من ذرتين، فإن دالة الموجة لها بنية فعالة ثنائية الدوران .

وبالتالي، عند الطاقات المنخفضة، حتى مع إهمال اللف المغزلي الحقيقي، يمكن وصف الإلكترونات بمعادلة مكافئة شكليًا لمعادلة ديراك عديمة الكتلة . ومن ثم، تُسمى الإلكترونات والفجوات بفيرميونات ديراك . ^{[ 31 ]} يقتصر هذا الوصف شبه النسبي على الحد الكيرالي ، أي على كتلة سكون معدومة M₀ _، مما يؤدي إلى خصائص إضافية مثيرة للاهتمام: ^{[ 31 ] [ 79 ]}

${\displaystyle v_{F}\,{\vec {\sigma }}\cdot \nabla \psi (\mathbf {r} )\,=\,E\psi (\mathbf {r} ).}$

هنا v _F ~10 ⁶  م/ث (0.003 ج) هي سرعة فيرمي في الجرافين، والتي تحل محل سرعة الضوء في نظرية ديراك؛${\displaystyle {\vec {\sigma }}}$هو متجه مصفوفات باولي ،${\displaystyle \psi (\mathbf {r} )}$هي دالة الموجة ذات المكونين للإلكترونات، و E هي طاقتها. ^{[ 73 ]}

المعادلة التي تصف علاقة التشتت الخطي للإلكترونات هي:

${\displaystyle E(q)=\hbar v_{F}q}$

حيث يتم قياس متجه الموجة q من رأس منطقة بريلوين K،${\displaystyle q=\left|\mathbf {k} -\mathrm {K} \right|}$ويتم ضبط الصفر الطاقي ليتطابق مع نقطة ديراك. تستخدم المعادلة صيغة مصفوفة الدوران الزائف التي تصف شبكتين فرعيتين من شبكة قرص العسل. ^{[ 78 ]}

تنتشر موجات الإلكترون في الجرافين داخل طبقة ذرة واحدة، مما يجعلها حساسة لقرب المواد الأخرى مثل المواد العازلة ذات ثابت العزل الكهربائي العالي ، والموصلات الفائقة ، والمواد المغناطيسية الحديدية .

يُظهر الجرافين قدرة عالية على نقل الإلكترونات عند درجة حرارة الغرفة، حيث تم الإبلاغ عن قيم تتجاوز15000 سم²  ⋅ ^{فولت⁻¹} ⋅ ^{ثانية⁻¹} . ^{[ 2} ] حركية ^الثقوب والإلكترونات متطابقة تقريبًا. ^{[ 74 ]} الحركية مستقلة عن درجة الحرارة ^بين10  آلاف و100  كلفن ، ^{[ 33 ] [ 80 ] [ 81 ]} تُظهر تغيرًا طفيفًا حتى عند درجة حرارة الغرفة (300 كلفن)، ^{[ 2 ]} مما يشير إلى أن آلية التشتت السائدة هي تشتت العيوب . يحد التشتت بواسطة الفونونات الصوتية للجرافين بشكل جوهري من حركة الإلكترونات عند درجة حرارة الغرفة في الجرافين الحر إلى200000 سم²  ⋅ ^{فولت⁻¹} ⋅ ^{ثانية⁻¹ عند} كثافة حاملات تبلغ10 ¹²  سم ⁻² . ^{[ 81 ] [ 82 ]}

المقاومة النوعية المقابلة لألواح الجرافين هي10⁻⁸ أوم.متر  ، وهي أقل من مقاومة الفضة ، التي تُعدّ الأدنى المعروفة عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 83 ] ومع} ذلك، على SiO_{في حالتي الركيزتين} ، يكون لتشتت الإلكترونات بواسطة الفونونات الضوئية للركيزة تأثير أكبر من تشتتها بواسطة فونونات الجرافين، مما يحد من الحركة إلى40000 سم ² ⋅V ⁻¹ ⋅s ⁻¹  . ^{[ 81 ]}​

يمكن أن يتأثر نقل الشحنة بامتصاص الملوثات مثل جزيئات الماء والأكسجين ، مما يؤدي إلى خصائص تخلف مغناطيسي كبيرة وغير متكررة. لذا، يحتاج الباحثون إلى إجراء قياسات كهربائية في الفراغ. وقد اقتُرح طلاء سطح الجرافين بمواد مثل نيتريد السيليكون (SiN) أو بولي ميثيل ميثاكريلات ( PMMA) أو نيتريد البورون سداسي الأضلاع (h-BN) لحمايته. في يناير 2015، تم الإبلاغ عن أول تشغيل مستقر لجهاز جرافين في الهواء لعدة أسابيع، وذلك لجرافين تم حماية سطحه بأكسيد الألومنيوم . ^{[ 84 ] [ 85 ]} وفي عام 2015، أظهر الجرافين المطلي بالليثيوم خاصية الموصلية الفائقة ، وهي الأولى من نوعها للجرافين. ^{[ 86 ]}

تتغير المقاومة الكهربائية في شرائط نانوية من الجرافين المُرَسَّب ، بعرض 40 نانومترًا، على مراحل منفصلة. وتتجاوز موصلية هذه الشرائط التوقعات بعشرة أضعاف. ويمكن لهذه الشرائط أن تعمل كدليل موجي ضوئي أو نقاط كمومية ، مما يسمح للإلكترونات بالتدفق بسلاسة على طول حواف الشريط. أما في النحاس، فتزداد المقاومة طرديًا مع الطول عندما تصطدم الإلكترونات بالشوائب. ^{[ 87 ] [ 88 ]}

يهيمن على النقل نمطان: أحدهما باليستي ولا يتأثر بدرجة الحرارة، والآخر مُنشَّط حراريًا. تشبه الإلكترونات الباليستية تلك الموجودة في أنابيب الكربون النانوية الأسطوانية. عند درجة حرارة الغرفة، تزداد المقاومة فجأة عند طول محدد - النمط الباليستي عند 16 ميكرومترًا والنمط المُنشَّط حراريًا عند 160 نانومترًا (1% من الطول الأول). ^{[ 87 ]}

يمكن للإلكترونات الموجودة في الجرافين أن تقطع مسافات ميكرومترية دون تشتت، حتى في درجة حرارة الغرفة. ^{[ 73 ]}

تتكون الخلية الأساسية للجرافين من ذرتي كربون متطابقتين وحالتين طاقة صفرية: إحداهما حيث يتواجد الإلكترون على الذرة A، والأخرى على الذرة B. مع ذلك، إذا لم تكن ذرتا الخلية الأساسية متطابقتين، يتغير الوضع. تشير الأبحاث إلى أن وضع نتريد البورون السداسي (h-BN) على اتصال مع الجرافين يُمكن أن يُغير الجهد الكهربائي الواقع على الذرتين A وB بشكل كافٍ لكي تكتسب الإلكترونات كتلة وفجوة طاقة مصاحبة لها تبلغ حوالي 30 ملي إلكترون فولت. ^{[ 104 ]}

يمكن أن تكون الكتلة موجبة أو سالبة. يؤدي ترتيب يزيد طاقة الإلكترون في الذرة (أ) قليلاً مقارنةً بالذرة (ب) إلى منحه كتلة موجبة، بينما يؤدي ترتيب يزيد طاقة الذرة (ب) إلى إنتاج كتلة إلكترونية سالبة. يتشابه سلوك الحالتين ولا يمكن التمييز بينهما باستخدام التحليل الطيفي الضوئي . يجب على الإلكترون المنتقل من منطقة ذات كتلة موجبة إلى منطقة ذات كتلة سالبة أن يعبر منطقة وسيطة حيث تصبح كتلته صفرًا مرة أخرى. هذه المنطقة عديمة الفجوة، وبالتالي فهي معدنية. تُعد الأنماط المعدنية التي تحد مناطق أشباه الموصلات ذات الكتل المتعاكسة سمة مميزة للطور الطوبولوجي ، وتُظهر خصائص فيزيائية مشابهة لتلك التي تُظهرها العوازل الطوبولوجية. ^{[ 104 ]}

إذا أمكن التحكم في كتلة الجرافين، يُمكن حصر الإلكترونات في مناطق عديمة الكتلة عن طريق إحاطتها بمناطق ذات كتلة، مما يسمح بتشكيل النقاط الكمومية والأسلاك وغيرها من البنى الميزوسكوبية. كما يُنتج ذلك موصلات أحادية البعد على طول الحدود. ستكون هذه الأسلاك محمية من التشتت العكسي ، ويمكنها نقل التيارات دون تبديد. ^{[ 104 ]}

بينما يمتلك الإلكترون الواحد كتلة فعالة تساوي صفرًا في الجرافين، فعندما تتحرك مجموعة الإلكترونات بأكملها بواسطة مجال كهربائي، يتحرك قرص فيرمي، مع تغير الطاقة الحركية الكلية.${\displaystyle E}$ومقدار الزخم الكلي${\displaystyle P}$يتم زيادتها. منذ ذلك الحين${\displaystyle E}$يكون الحد الأدنى عندما${\displaystyle P=0}$، من الدرجة الأولى،${\displaystyle E\sim P^{2}}$يجب أن يتحقق ذلك. ^{[ 105 ]} يجب أن يُعطى ثابت التناسب بواسطة${\displaystyle 1/(2M)}$أين${\displaystyle M}$تمثل الكتلة الكلية (القصور الذاتي) لإلكترونات الجرافين. ويمكن النظر إلى هذا الأمر من منظور آخر، وهو ربط الطاقة الحركية الكلية بالتيار الكهربائي، لأن الزخم الكلي يتناسب طرديًا مع شدة التيار.${\displaystyle I}$،${\displaystyle E\sim I^{2}}$يجب أن يتحقق ذلك. يجب أن يُعطى ثابت التناسب بالصيغة التالية:${\displaystyle (1/2)L_{k}}$، أين${\displaystyle L_{k}}$هي كمية وحدة الحث، لكن أصلها ليس حث فاراداي ولكن التأثير القصور الذاتي.${\displaystyle L_{k}}$يمثل معامل الحث الحركي للجرافين، ^{[ 105 ]} ويُعطى بالعلاقة التالية${\displaystyle L_{K}=(\pi \hbar ^{2})/(e^{2}\epsilon _{F}W)}$لكل وحدة طول لشريط من الجرافين بعرض${\displaystyle W}$(${\displaystyle \epsilon _{F}}$(طاقة فيرمي). يرتبط الحث الحركي، الذي يمثل التأثير القصور الذاتي الجماعي، ارتباطًا وثيقًا بالبلازمونيات الجرافينية، وقد تم قياسه مباشرة من خلال تحليل شبكة الميكروويف في عام 2014. ^{[ 105 ]}

في المجالات المغناطيسية التي تزيد عن 10 ^تسلا ، لوحظت مستويات إضافية من موصلية هول عند σxy = _νe² / ^h مع ν = 0، ±1، ±4 . [ ^{106 ] كما} تم الإبلاغ عن ^مستوى عند ν = 3 ^{[ 107 ]} وتأثير هول الكمي الكسري عند ν = 1/3 . ^{[ 107 ]} [ 108 ^]

تشير هذه الملاحظات مع ν = 0، ±1، ±3، ±4 إلى أن الانحلال الرباعي (درجتي حرية الوادي ودرجتي حرية الدوران) لمستويات طاقة لاندو يتم رفعه جزئيًا أو كليًا.

تأثير كازيمير هو تفاعل بين أجسام متعادلة منفصلة ناتج عن تقلبات الفراغ الكهرومغناطيسي. رياضياً، يمكن تفسيره من خلال دراسة الأنماط الطبيعية للحقول الكهرومغناطيسية، والتي تعتمد بشكل مباشر على الشروط الحدية على أسطح الأجسام المتفاعلة. ونظراً لتفاعل الجرافين القوي مع المجال الكهرومغناطيسي كمادة بسماكة ذرة واحدة، فقد حظي تأثير كازيمير باهتمام كبير. ^{[ 109 ] [ 110 ]}

تُعد قوة فان دير فالس (أو قوة التشتت) غير عادية أيضاً، إذ تخضع لقانون القوة التقريبي التكعيبي العكسي على عكس القانون الرباعي العكسي المعتاد. ^{[ 111 ]}

تتغير سماحية الجرافين بتغير التردد. فعلى مدى نطاق ترددات يتراوح من الموجات الميكروية إلى الموجات المليمترية، تبلغ حوالي 3.3. ^{[ 112 ]} هذه السماحية، بالإضافة إلى قدرته على العمل كموصل وعازل في آن واحد، تسمح نظرياً للمكثفات الصغيرة المصنوعة من الجرافين بتخزين كميات كبيرة من الطاقة الكهربائية.

استُخدم رنين البلازمون السطحي متعدد المعاملات لتحديد كلٍّ من سُمك ومعامل انكسار ^{أغشية الجرافين المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD). عند طول موجي} 670 نانومتر (6.7 × 10⁻⁷ متر ) ، بلغت قيم معامل الانكسار المُقاسة 3.135، ومعامل الامتصاص 0.897. أظهر قياس السُمك قيمة 3.7 أنغستروم على مساحة 0.5 مليمتر، وهي قيمة تتوافق مع 3.35 أنغستروم المُبلغ عنها للمسافة بين ذرات الكربون في طبقات بلورات الجرافيت. ^{[ 115 ]} تُعدّ هذه الطريقة قابلة للتطبيق لدراسة تفاعلات الجرافين مع المواد العضوية وغير العضوية في الوقت الحقيقي دون الحاجة إلى علامات. تم إثبات وجود بلازمونات سطحية أحادية الاتجاه في واجهات غير تبادلية قائمة على الجرافين ذات خاصية الدوران، نظريًا، مما يوفر إمكانية ضبط الترددات من نطاق تيراهيرتز إلى نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة والترددات المرئية عن طريق التحكم في الجهد الكيميائي للجرافين. ^{[ 116 ]} وعلى وجه الخصوص، يمكن أن يكون عرض نطاق التردد أحادي الاتجاه أكبر بمقدار 1-2 رتبة من حيث الحجم من ذلك الذي يمكن تحقيقه باستخدام المعادن في ظل ظروف مجال مغناطيسي مماثلة، وذلك نتيجة لصغر الكتلة الإلكترونية الفعالة للجرافين.  

يمكن ضبط فجوة النطاق للجرافين من 0 إلىيمكن توليد طاقة مقدارها 0.25  إلكترون فولت (طول موجي يبلغ حوالي 5 ميكرومتر) بتطبيق جهد كهربائي على ترانزستور تأثير المجال (FET) ثنائي البوابة مصنوع من طبقتين من الجرافين عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 117 ]} ويمكن ضبط الاستجابة البصرية لأشرطة الجرافين النانوية في نطاق الترددات تيراهيرتز بتطبيق مجال مغناطيسي. ^{[ 118 ]} وتُظهر أنظمة الجرافين/أكسيد الجرافين سلوكًا كهروكروميًا ، مما يُتيح ضبط كلٍ من الخصائص البصرية الخطية وفائقة السرعة. ^{[ 119 ]}

تم تصنيع شبكة براغ القائمة على الجرافين ( بلورة ضوئية أحادية البعد )، مما يدل على قدرتها على إثارة الموجات الكهرومغناطيسية السطحية في بنية دورية باستخدام ليزر هيليوم-نيون ^بطول موجي 633 نانومتر (6.33 × 10⁻⁷ متر ) كمصدر للضوء. ^{[ 120 ]}  

يُظهر الجرافين امتصاصًا مشبعًا فريدًا، يصل إلى حد التشبع عندما تتجاوز شدة الضوء الداخل قيمة عتبة معينة. هذا السلوك البصري غير الخطي، المسمى بالامتصاص المشبع ، يحدث عبر طيف الضوء المرئي إلى الأشعة تحت الحمراء القريبة ، نظرًا لامتصاص الجرافين البصري الشامل وانعدام فجوة النطاق. وقد مكّنت هذه الخاصية من تحقيق قفل نمط النطاق الكامل في ليزرات الألياف باستخدام ماصات مشبعة قائمة على الجرافين، مما ساهم بشكل كبير في مجال الفوتونيات فائقة السرعة . بالإضافة إلى ذلك، يمكن ضبط الاستجابة البصرية لطبقات الجرافين/أكسيد الجرافين كهربائيًا. ^{[ 119 ] [ 121 ] [ 122 ] [ 123 ] [ 124 ] [ 125 ]}

يمكن أن يحدث امتصاص مشبع في الجرافين في نطاقي الميكروويف والتيراهيرتز، نظرًا لخاصية امتصاصه الضوئي واسع النطاق. يُظهر الامتصاص المشبع في نطاق الميكروويف في الجرافين إمكانية استخدام الجرافين في أجهزة الفوتونيات الميكروويفية والتيراهيرتزية، مثل الممتص المشبع في نطاق الميكروويف، والمعدِّل، والمستقطب، ومعالجة إشارات الميكروويف، وشبكات الوصول اللاسلكي واسعة النطاق. ^{[ 126 ]}

تحت تأثير إضاءة ليزرية مكثفة، يُظهر الجرافين إزاحة طورية غير خطية نتيجة لتأثير كير البصري غير الخطي . ويُظهر الجرافين معامل كير غير خطي كبير.10 ⁻⁷  سم ² ⋅W ⁻¹ ، أي أكبر بتسعة مراتب من حيث الحجم من تلك الموجودة في المواد العازلة الكبيرة، ^{[ 127 ]} مما يشير إلى إمكاناتها كوسط كير غير خطي قوي قادر على دعم تأثيرات غير خطية متنوعة، بما في ذلك السوليتونات . ^{[ 128 ]}

يُعتبر الجرافين مادة مثالية للإلكترونيات الدورانية نظرًا لتفاعل الدوران المداري الضئيل ، وانعدام العزوم المغناطيسية النووية تقريبًا في الكربون، وضعف التفاعل فائق الدقة . وقد تم إثبات حقن التيار الدوراني وكشفه كهربائيًا حتى درجة حرارة الغرفة، ^{[ 136 ] [ 137 ] [ 138 ]} حيث لوحظ طول تماسك دوراني يتجاوز 1 ميكرومتر عند هذه الدرجة. ^{[ 136 ]} كما تم التحكم في قطبية التيار الدوراني عبر البوابات الكهربائية عند درجات حرارة منخفضة. ^{[ 137 ]}

يكشف تأثير هول الكمي للجرافين في المجالات المغناطيسية التي تزيد عن 10 تسلا تقريبًا عن خصائص إضافية مثيرة للاهتمام. تظهر مستويات إضافية من ثبات موصلية هول عند${\displaystyle \sigma _{xy}=\nu e^{2}/h}$مع${\displaystyle \nu =0,\pm {1},\pm {4}}$لوحظت ^{[ 106 ]} بالإضافة إلى هضبة عند${\displaystyle \nu =3}$^{[ 107 ]} وتأثير هول الكمي الكسري عند${\displaystyle \nu =1/3}$[ ^{107 ] [ 108 ]​}

هذه الملاحظات مع${\displaystyle \nu =0,\pm 1,\pm 3,\pm 4}$تشير هذه النتائج إلى أن التحلل الرباعي (درجتا حرية للوادي ودرجتا حرية للدوران) لمستويات طاقة لانداو قد تم رفعه جزئيًا أو كليًا. وتقترح إحدى الفرضيات أن التحفيز المغناطيسي لكسر التناظر هو المسؤول عن رفع هذا التحلل.

يُظهر الجرافين خصائص مغناطيسية والإلكترونية الدورانية في آنٍ واحد. [ ^{139 ] تُظهر} شبكات الجرافين النانوية منخفضة العيوب، المصنعة باستخدام تقنية غير طباعية، مغناطيسية حديدية ملحوظة حتى في درجة حرارة الغرفة. بالإضافة إلى ذلك، لوحظ تأثير ضخ الدوران عند تطبيق مجالات موازية لمستويات الشبكات النانوية المغناطيسية الحديدية قليلة الطبقات، بينما تظهر حلقة تخلف مغناطيسي واضحة تحت تأثير المجالات العمودية. وقد أظهر الجرافين المتعادل الشحنة مقاومة مغناطيسية تتجاوز 100% في المجالات المغناطيسية الناتجة عن المغناطيسات الدائمة القياسية (حوالي 0.1 تسلا)، مسجلاً بذلك رقماً قياسياً في المقاومة المغناطيسية عند درجة حرارة الغرفة بين المواد المعروفة. ^{[ 140 ]}

في عام 2010، قام باحثون بمغنطة الجرافين عن طريق إنتاجه بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار على ركيزة Ni(111) ^{[ 141 ]} ، ثم في عام 2014، قاموا بوضعه على طبقة ناعمة ذرية من غارنيت الإيتريوم الحديدي المغناطيسي ، مع الحفاظ على الخصائص الإلكترونية للجرافين دون تغيير. تضمنت الطرق السابقة تطعيم الجرافين بمواد أخرى ^{[ 142 ]} ، إلا أن وجود المادة المطعمة أثر سلبًا على خصائصه الإلكترونية ^{[ 143 ] .}

في عام 2014، أشار باحثون من جامعة رايس ومعهد جورجيا للتكنولوجيا إلى أنه على الرغم من قوة الجرافين، إلا أنه هش نسبيًا ، حيث تبلغ مقاومته للكسر حوالي 4 ميجا باسكال√م. ^{[ 152 ]} وهذا يدل على أن الجرافين غير الكامل من المرجح أن يتشقق بطريقة هشة مثل المواد الخزفية ، على عكس العديد من المواد المعدنية التي تميل إلى امتلاك مقاومة للكسر تتراوح بين 15 و50  ميجا باسكال√م. وفي وقت لاحق من عام 2014، أعلن فريق رايس أن الجرافين أظهر قدرة أكبر على توزيع قوة الصدمة من أي مادة معروفة، عشرة أضعاف قدرة الفولاذ لكل وحدة وزن. ^{[ 153 ]} وقد انتقلت القوة بسرعة 22.2 كيلومترًا في الثانية (13.8 ميلًا في الثانية) . ^{[ 154 ]} 

طُوِّرت طرقٌ عديدة، أبرزها الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) كما هو مُفصَّل في القسم التالي، لإنتاج كميات كبيرة من الجرافين اللازم لتطبيقات الأجهزة. غالبًا ما تُنتج هذه الطرق جرافين متعدد البلورات. ^{[ 155 ]} تتأثر الخواص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات بطبيعة العيوب الموجودة في النظام، مثل حدود الحبيبات والفراغات ، بالإضافة إلى متوسط ​​حجم الحبيبات .

تحتوي حدود حبيبات الجرافين عادةً على أزواج من الحلقات السباعية والخماسية. ويعتمد ترتيب هذه العيوب على ما إذا كان اتجاه حدود الحبيبات متعرجًا أم مستقيمًا. كما يعتمد أيضًا على زاوية ميل حدود الحبيبات. ^{[ 156 ]} في عام 2010، تنبأ باحثون من جامعة براون حسابيًا بأنه مع ازدياد زاوية الميل، تزداد قوة حدود الحبيبات. وأظهروا أن أضعف نقطة في حدود الحبيبات تقع عند الروابط الحرجة للحلقات السباعية. ومع ازدياد زاوية حدود الحبيبات، يقل الإجهاد في هذه الحلقات، مما يجعل حدود الحبيبات أقوى من حدود الحبيبات ذات الزوايا الأقل. واقترحوا أنه في الواقع، بالنسبة لحدود الحبيبات ذات الزوايا الكبيرة بما فيه الكفاية، تكون قوة حدود الحبيبات مماثلة لقوة الجرافين النقي. ^{[ 157 ]} في عام 2012، تبين أيضًا أن القوة يمكن أن تزداد أو تنقص، اعتمادًا على الترتيبات التفصيلية للعيوب. ^{[ 158 ]} وقد دعمت الأدلة التجريبية هذه التنبؤات منذ ذلك الحين. في دراسة أجريت عام 2013 بقيادة فريق جيمس هون، قام الباحثون بفحص الصلابة المرنة وقوة الجرافين المُنمّى بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) باستخدام تقنية النانو-انضغاط والمجهر الإلكتروني النافذ عالي الدقة . ووجدوا أن الصلابة المرنة متطابقة، وأن القوة أقل بقليل فقط من تلك الموجودة في الجرافين النقي. ^{[ 159 ]} وفي العام نفسه، قام باحثون من جامعة كاليفورنيا، بيركلي، وجامعة كاليفورنيا، لوس أنجلوس، بفحص الجرافين ثنائي البلورة باستخدام المجهر الإلكتروني النافذ (TEM) والمجهر الذري الماسح (AFM) . ووجدوا أن قوة حدود الحبيبات تميل بالفعل إلى الزيادة مع زاوية الميل. ^{[ 160 ]}

على الرغم من أن وجود الفراغات ليس شائعًا فقط في الجرافين متعدد البلورات، إلا أن لها تأثيرات كبيرة على قوة الجرافين. ويُجمع الباحثون على أن القوة تتناقص مع ازدياد كثافة الفراغات. وقد أظهرت دراسات عديدة أن قوة الجرافين ذي الكثافة المنخفضة من الفراغات لا تختلف اختلافًا كبيرًا عن قوة الجرافين النقي. في المقابل، يمكن أن تؤدي الكثافة العالية من الفراغات إلى انخفاض حاد في قوة الجرافين. ^{[ 161 ]}

مقارنةً بالطبيعة المفهومة جيدًا لتأثير حدود الحبيبات والفراغات على الخواص الميكانيكية للجرافين، لا يوجد إجماع واضح حول التأثير العام لمتوسط ​​حجم الحبيبات على قوة الجرافين متعدد البلورات. ^{[ 162 ] [ 161 ] [ 163 ]} في الواقع، أدت ثلاث دراسات نظرية أو حسابية بارزة حول هذا الموضوع إلى ثلاث استنتاجات مختلفة. ^{[ 164 ] [ 165 ] [ 166 ]} أولًا، في عام 2012، درس كولاكوفسكي وماير الخواص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات باستخدام "نموذج ذري واقعي"، وذلك باستخدام محاكاة الديناميكا الجزيئية . لمحاكاة آلية نمو الترسيب الكيميائي للبخار، اختارا أولًا مواقع تنوية عشوائيًا تبعد مسافة 5 أنغستروم على الأقل (مختارة بشكل تعسفي) عن المواقع الأخرى. تم توليد الجرافين متعدد البلورات من مواقع التكوين هذه، ثم خضع للمعالجة الحرارية عند درجة حرارة 3000 كلفن، ثم التبريد السريع. وبناءً على هذا النموذج، وجد الباحثون أن الشقوق تبدأ عند نقاط التقاء حدود الحبيبات، لكن حجم الحبيبات لا يؤثر بشكل كبير على المتانة. ^{[ 164 ]} ثانيًا، في عام 2013، استخدم ز. سونغ وآخرون محاكاة الديناميكا الجزيئية لدراسة الخواص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات ذي الحبيبات السداسية الشكل ذات الحجم الموحد. كانت الحبيبات السداسية موجهة في اتجاهات شبكية مختلفة، وتألفت حدود الحبيبات من حلقات كربون سباعية وخماسية وسداسية فقط. كان الدافع وراء هذا النموذج هو ملاحظة أنظمة مماثلة تجريبيًا في رقائق الجرافين النامية على سطح النحاس السائل. وبينما لاحظوا أيضًا أن الشقوق تبدأ عادةً عند نقاط الالتقاء الثلاثية، وجدوا أنه مع انخفاض حجم الحبيبات، تزداد مقاومة الخضوع للجرافين. استنادًا إلى هذه النتيجة، اقترحوا أن الجرافين متعدد البلورات يتبع علاقة هال-بيتتش الزائفة . ^{[ 165 ]} ثالثًا، في عام 2013، درس زد شا وآخرون تأثير حجم الحبيبات على خصائص الجرافين متعدد البلورات، من خلال نمذجة رقع الحبيبات باستخدام بناء فورونوي . تكونت حدود الحبيبات في هذا النموذج من سباعيات وخماسيات وسداسيات، بالإضافة إلى مربعات وثمانيات وفراغات. من خلال محاكاة الديناميكا الجزيئية، وعلى عكس الدراسة المذكورة آنفًا، وجدوا علاقة هال-بيتتش عكسية، حيث تزداد قوة الجرافين مع زيادة حجم الحبيبات. ^{[ 166 ]} كما قدمت الملاحظات التجريبية والتنبؤات النظرية الأخرى استنتاجات مختلفة، مماثلة للاستنتاجات الثلاثة المذكورة أعلاه. ^{[ 163 ]}تُظهر هذه التناقضات مدى تعقيد التأثيرات التي تحدثها أحجام الحبيبات وترتيبات العيوب وطبيعة العيوب على الخصائص الميكانيكية للجرافين متعدد البلورات.

يُعدّ النقل الحراري في الجرافين مجالًا بحثيًا مزدهرًا، لا سيما لتطبيقاته المحتملة في إدارة الحرارة. وقد أظهرت معظم القياسات التجريبية هامش خطأ كبيرًا في نتائج التوصيل الحراري نظرًا لمحدودية الأجهزة المستخدمة. بعد التنبؤات المتعلقة بالجرافين وأنابيب الكربون النانوية ذات الصلة ، ^{[ 167 ]} أشارت القياسات المبكرة للتوصيل الحراري للجرافين المعلق إلى توصيل حراري كبير بشكل استثنائي يصل إلى5300  واط ^/ متر/ ^كلفن ، ^{[ 168 ]} مقارنةً بالتوصيل الحراري للجرافيت المحلل حرارياً الذي يبلغ تقريبًا2000  واط ^/ متر/ ^كلفن عند درجة حرارة الغرفة. ^{[ 169 ]} مع ذلك، لم تتمكن الدراسات اللاحقة، التي أجريت بشكل أساسي على الجرافين الأكثر قابلية للتوسع ولكنه أكثر عيوبًا والمُستخلص بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار، من إعادة إنتاج قياسات التوصيل الحراري العالية هذه، مما أدى إلى ظهور نطاق واسع من قيم التوصيل الحراري بين1500 –2500  واط ^/ متر/ ^كلفن للجرافين أحادي الطبقة المعلق. ^{[ 170 ] [ 171 ] [ 172 ] [ 173 ]} قد يكون التباين الكبير في قيم الموصلية الحرارية المُبلغ عنها ناتجًا عن عدم دقة القياسات، بالإضافة إلى اختلافات في جودة الجرافين وظروف المعالجة. علاوة على ذلك، من المعروف أنه عند دعم الجرافين أحادي الطبقة على مادة غير متبلورة، تنخفض الموصلية الحرارية إلى حوالي500 –تبلغ الموصلية الحرارية للجرافين 600  واط ^/ متر/ ^كلفن عند درجة حرارة الغرفة نتيجة لتشتت موجات شبكة الجرافين بواسطة الركيزة، ^{[ 174 ] [ 175 ]} وقد تكون أقل من ذلك بالنسبة للجرافين قليل الطبقات المغلف بأكسيد غير متبلور. ^{[ 176 ]} وبالمثل، يمكن أن تساهم بقايا البوليمر في انخفاض مماثل في الموصلية الحرارية للجرافين المعلق إلى حوالي500 –600  واط/متر ⁻¹ كلفن ⁻¹ للجرافين ثنائي الطبقة. ^{[ 177 ]}

يؤثر التركيب النظائري، وتحديدًا نسبة الكربون ^-12 إلى الكربون ^-13 ، تأثيرًا كبيرًا على الموصلية الحرارية للجرافين. يُظهر الجرافين النقي نظائريًا والمكون من الكربون ^-12 موصلية حرارية أعلى من الجرافين ذي النسبة النظائرية 50:50 أو النسبة الطبيعية 99:1. ^{[ 178 ]} ويمكن إثبات، باستخدام قانون ويدمان-فرانز ، أن التوصيل الحراري يهيمن عليه الفونونات . ^{[ 168 ]} مع ذلك، بالنسبة لشريط جرافين مُتحكم به، فإن تطبيق جهد بوابة يُسبب انزياحًا في طاقة فيرمي أكبر بكثير من k_{_B} T قد يؤدي إلى زيادة المساهمة الإلكترونية وهيمنتها على مساهمة الفونونات عند درجات الحرارة المنخفضة. الموصلية الحرارية الباليستية للجرافين متجانسة الخواص. ^{[ 179 ] [ 180 ]}

يُظهر الجرافيت، وهو نظير ثلاثي الأبعاد للجرافين، موصلية حرارية في المستوى القاعدي تتجاوزتبلغ الموصلية الحرارية للجرافيت 1000  واط ^/ متر/ ^كلفن (مشابهة للألماس ). في الجرافيت، تكون الموصلية الحرارية على طول المحور c (خارج المستوى) أقل بأكثر من 100 مرة تقريبًا نظرًا لضعف قوى الربط بين المستويات القاعدية، بالإضافة إلى تباعد الشبكة البلورية الأكبر . ^{[ 181 ]} علاوة على ذلك، تبين أن الموصلية الحرارية الباليستية للجرافين تعطي الحد الأدنى للموصلية الحرارية الباليستية، لكل وحدة محيط، لأنابيب الكربون النانوية. ^{[ 182 ]}

تتأثر الموصلية الحرارية للجرافين بثلاثة أنماط فونونية صوتية : نمطان خطيان ذوا علاقة تشتت داخل المستوى (LA، TA)، ونمط واحد ذو علاقة تشتت تربيعية خارج المستوى (ZA). عند درجات الحرارة المنخفضة، تطغى مساهمة الموصلية الحرارية T1.5 للنمط ^{خارج المستوى} على اعتماد T2 للأنماط الخطية. ^{[ 182 ]} تُظهر بعض نطاقات فونون الجرافين معاملات غرونايزن سالبة ، ^{[ 183 ]} ​​مما ينتج عنه معامل تمدد حراري سالب عند درجات الحرارة المنخفضة. تتوافق أدنى معاملات غرونايزن السالبة مع أدنى أنماط ZA الصوتية المستعرضة، والتي تزداد تردداتها مع معامل الشبكة داخل المستوى ، على غرار وتر مشدود ذي اهتزازات عالية التردد. ^{[ 184 ]}

تبلغ المساحة السطحية النوعية النظرية للجرافين (SSA)2630 م² ^/ غ  . وهذا أكبر بكثير من القيمة المُبلغ عنها حتى الآن للكربون الأسود (عادةً ما تكون أصغر من900 م² ^/ غ  ) أو بالنسبة لأنابيب الكربون النانوية (CNTs)، من ≈100 إلىتبلغ مساحته 1000 متر ^مربع /غرام  ، وهو مشابه للكربون المنشط . ^{[ 185 ]} يُعدّ الجرافين الشكل الوحيد للكربون (أو المادة الصلبة) الذي تكون فيه كل ذرة متاحة للتفاعل الكيميائي من جانبين (بسبب بنيته ثنائية الأبعاد). تتميز الذرات الموجودة على حواف طبقة الجرافين بتفاعل كيميائي خاص. يمتلك الجرافين أعلى نسبة من الذرات الطرفية مقارنةً بأي شكل آخر من أشكال الكربون . تزيد العيوب داخل الطبقة من تفاعلها الكيميائي. ^{[ 186 ]} تبدأ درجة حرارة التفاعل بين المستوى القاعدي للجرافين أحادي الطبقة وغاز الأكسجين عند أقل من 260 درجة مئوية (530 كلفن) . ^{[ 187 ]} يحترق الجرافين عند درجات حرارة منخفضة جدًا (مثل 350 درجة مئوية (620 كلفن) ). ^{[ 188 ]} يُعدّل الجرافين عادةً بمجموعات وظيفية تحتوي على الأكسجين والنيتروجين، ويُحلل باستخدام مطيافية الأشعة تحت الحمراء ومطيافية الأشعة السينية الكهروضوئية . ومع ذلك، فإن تحديد هياكل الجرافين مع المجموعات الوظيفية للأكسجين ^{[ 189 ]} والنيتروجين ^{[ 190 ]} يتطلب التحكم الجيد في الهياكل.    

في عام 2013، أفاد علماء الفيزياء بجامعة ستانفورد أن طبقة الجرافين الأحادية أكثر تفاعلاً كيميائياً بمئة مرة من الصفائح متعددة الطبقات الأكثر سمكاً. ^{[ 191 ]}

يستطيع الجرافين إصلاح الثقوب في طبقاته ذاتيًا عند تعرضه لجزيئات تحتوي على الكربون، مثل الهيدروكربونات . فعند قصفه بذرات الكربون النقية، تصطف الذرات بشكل مثالي في شكل سداسي ، فتملأ الثقوب. ^{[ 192 ] [ 193 ]}

على الرغم من النتائج الواعدة في دراسات الخلايا المختلفة ودراسات إثبات المفهوم، لا يزال فهمنا للتوافق الحيوي الكامل للمواد القائمة على الجرافين غير مكتمل. ^{[ 194 ]} تتفاعل أنواع الخلايا المختلفة بشكل مختلف عند تعرضها للجرافين، وقد ثبت أن الحجم الجانبي لرقائق الجرافين وشكلها وتركيبها الكيميائي السطحي يمكن أن تُحدث استجابات بيولوجية مختلفة على نفس نوع الخلية. ^{[ 195 ]}

تشير بعض الدلائل إلى أن الجرافين واعد كمادة مفيدة للتفاعل مع الخلايا العصبية؛ إلا أن الدراسات التي أُجريت على الخلايا العصبية المستزرعة تُظهر نجاحًا محدودًا. ^{[ 196 ] [ 197 ]}

للجرافين أيضاً بعض الفوائد في تكوين العظام . فقد اكتشف باحثون في مركز أبحاث الجرافين بجامعة سنغافورة الوطنية (NUS) في عام 2011 قدرة الجرافين على تسريع التمايز العظمي للخلايا الجذعية اللحمية المتوسطة البشرية دون استخدام محفزات كيميائية حيوية. ^{[ 198 ]}

يمكن استخدام الجرافين في أجهزة الاستشعار الحيوية؛ ففي عام 2015، أثبت باحثون إمكانية استخدام مستشعر قائم على الجرافين للكشف عن مؤشر حيوي لخطر الإصابة بالسرطان. وعلى وجه الخصوص، تمكنوا، باستخدام الجرافين المُرَسَّب على كربيد السيليكون، من الكشف بشكل متكرر عن 8-هيدروكسي ديوكسي غوانوزين (8-OHdG)، وهو مؤشر حيوي لتلف الحمض النووي. ^{[ 199 ]}

يمكن أن تتأثر الخصائص الإلكترونية للجرافين بشكل كبير بالركيزة الداعمة. وقد أُجريت دراسات على طبقات أحادية من الجرافين على أسطح السيليكون (100) النظيفة والمُخَمَّلة بالهيدروجين (Si(100)/H). ^{[ 200 ]} لا يؤثر سطح Si(100)/H على الخصائص الإلكترونية للجرافين، بينما يُغير التفاعل بين سطح Si(100) النظيف والجرافين الحالات الإلكترونية للجرافين بشكل ملحوظ. وينتج هذا التأثير عن الرابطة التساهمية بين الكربون وذرات السيليكون السطحية، مما يُعدِّل شبكة المدارات π لطبقة الجرافين. وتُظهر كثافة الحالات المحلية أن حالات سطح الكربون والسيليكون المرتبطة تتأثر بشدة بالقرب من مستوى فيرمي.

في عام ٢٠١٣، قدم فريق من العلماء البولنديين وحدة إنتاج تسمح بتصنيع صفائح أحادية الطبقة متصلة. ^{[ ٢٠١ ]} تعتمد هذه العملية على نمو الجرافين على مصفوفة معدنية سائلة. ^{[ ٢٠٢ ]} وقد أُطلق على منتج هذه العملية اسم "الجرافين المعدني عالي القوة" . في دراسة جديدة نُشرت في مجلة Nature، استخدم الباحثون قطبًا كهربائيًا من الجرافين أحادي الطبقة وتقنية طيفية غير خطية جديدة حساسة للسطح لدراسة الطبقة المائية السطحية على السطح المشحون كيميائيًا كهربائيًا. ووجدوا أن استجابة الماء السطحي للمجال الكهربائي المطبق غير متناظرة تبعًا لطبيعة المجال المطبق. ^{[ ٢٠٣ ]}

يُظهر الجرافين ثنائي الطبقات تأثير هول الكمومي الشاذ ، وفجوة نطاق قابلة للضبط ^{[ 204 ]} ، وإمكانية تكثيف الإكسيتونات ^{[ 205 ]،}  مما يجعله مرشحًا واعدًا للتطبيقات الكهروضوئية والنانوية الإلكترونية . يوجد الجرافين ثنائي الطبقات عادةً إما في تكوينات ملتوية حيث تدور الطبقتان بالنسبة لبعضهما البعض، أو في تكوينات برنال الجرافيتية المكدسة حيث يقع نصف ذرات إحدى الطبقتين فوق نصف ذرات الأخرى ^{[ 206 ]} . يتحكم ترتيب التراص والاتجاه في الخصائص البصرية والإلكترونية للجرافين ثنائي الطبقات.

إحدى طرق تصنيع الجرافين ثنائي الطبقة هي الترسيب الكيميائي للبخار ، والذي يمكن أن ينتج مناطق كبيرة ثنائية الطبقة تتوافق بشكل شبه حصري مع هندسة رصّ برنال. ^{[ 206 ]}

لقد ثبت أن طبقتي الجرافين يمكنهما تحمل الإجهاد المهم أو عدم تطابق التطعيم ^{[ 207 ]} مما يؤدي في النهاية إلى تقشيرهما.

يُظهر الجرافين المضطرب ترابطًا ضعيفًا بين الطبقات، وتزداد المسافة بينها مقارنةً بالجرافين متعدد الطبقات ذي التراص البرنالي. ويحافظ عدم المحاذاة الدورانية على البنية الإلكترونية ثنائية الأبعاد، كما أكدته مطيافية رامان . ^{[ 208 ]} وتكون قمة D ضعيفة جدًا، بينما تظل قمتا 2D وG بارزتين. ^{[ 208 ]}

من السمات المميزة أن نسبة I _2D /I _G قد تتجاوز 10. والأهم من ذلك، أن قمة M، الناتجة عن تكديس AB، غائبة، بينما تظهر أنماط TS ₁ وTS _{2 في} طيف رامان . ^{[ 209 ] [ 210 ]} تتشكل المادة من خلال تحويل الكربون غير الجرافيني إلى كربون جرافيني دون توفير طاقة كافية لإعادة تنظيم طبقات الجرافين المتجاورة عبر التلدين إلى هياكل جرافيتية بلورية.

يُشكّل الجرافين المُكدّس دوريًا ونظيره العازل عنصرًا بنيويًا رائعًا في تنفيذ الشبكات الفائقة عالية الأداء على المستوى الذري، مما يُتيح إمكانيات تصميم الأجهزة النانوإلكترونية والضوئية. يُمكن الحصول على أنواع مُختلفة من الشبكات الفائقة عن طريق تكديس الجرافين وأشكاله المُشابهة. ^{[ 211 ]} وُجد أن نطاق الطاقة في الشبكات الفائقة المُكدّسة طبقيًا أكثر حساسية لعرض الحاجز من نطاق الطاقة في الشبكات الفائقة لأشباه الموصلات التقليدية من النوع III-V. عند إضافة أكثر من طبقة ذرية واحدة إلى الحاجز في كل دورة، يُمكن تقليل اقتران الدوال الموجية الإلكترونية في آبار الجهد المُجاورة بشكل كبير، مما يؤدي إلى انحلال النطاقات الفرعية المُتصلة إلى مستويات طاقة مُكمّمة. عند تغيير عرض البئر، تختلف مستويات الطاقة في آبار الجهد على طول اتجاه LM عن تلك الموجودة على طول اتجاه KH.

تُشير الشبكة الفائقة إلى ترتيب دوري أو شبه دوري لمواد مختلفة، ويمكن وصفها بدورة الشبكة الفائقة التي تُضفي تناظرًا انتقاليًا جديدًا على النظام، مما يؤثر على تشتت الفونونات وبالتالي على خصائص النقل الحراري. وقد تم مؤخرًا تخليق هياكل أحادية الطبقة منتظمة من الجرافين-نيتريد البورون السداسي بنجاح باستخدام تقنية الطباعة الحجرية المقترنة بالترسيب الكيميائي للبخار (CVD). ^{[ 212 ]} علاوة على ذلك، تُعد الشبكات الفائقة من الجرافين-نيتريد البورون السداسي أنظمة نموذجية مثالية لتحقيق وفهم النقل الحراري للفونونات المتماسك (الموجي) وغير المتماسك (الجسيمي). ^{[ 213 ] [ 214 ] [ 215 ] [ 216 ] [ 217 ]}

تُظهر شرائط الجرافين النانوية ("الشرائط النانوية" في اتجاه "الزقزاق"/"الزقزاق")، عند درجات حرارة منخفضة، تيارات حافة معدنية مستقطبة مغناطيسيًا، مما يشير أيضًا إلى تطبيقات في مجال الإلكترونيات الدورانية الجديد . (في اتجاه "الكرسي"، تتصرف الحواف مثل أشباه الموصلات. ^{[ 73 ]} )

النقطة الكمومية الجرافينية (GQD) هي جزء من الجرافين يقل حجمه عن 100  نانومتر. تختلف خصائص النقاط الكمومية الجرافينية عن خصائص الجرافين الصلب بسبب تأثيرات الحصر الكمومي التي لا تظهر إلا عندما يقل حجمها عن 100  نانومتر. ^{[ 218 ] [ 219 ] [ 220 ]}

يُنتج أكسيد الجرافين عادةً من خلال التقشير الكيميائي للجرافيت. ومن التقنيات الشائعة طريقة هومرز المُحسّنة . ^{[ 221 ]} باستخدام تقنيات صناعة الورق على الجرافيت المُشتت والمؤكسد والمعالج كيميائيًا في الماء، تُشكّل الرقائق أحادية الطبقة ورقةً واحدةً وتُكوّن روابط قوية. تُسمى هذه الأوراق بورق أكسيد الجرافين ، ويبلغ معامل الشد المقاس لها 32 جيجا باسكال . ^{[ 222 ]} ترتبط الخاصية الكيميائية لأكسيد الجرافيت بالمجموعات الوظيفية المرتبطة بألواح الجرافين. يمكن لهذه المجموعات تغيير مسار البلمرة والعمليات الكيميائية المشابهة. ^{[ 223 ]} تُظهر رقائق أكسيد الجرافين في البوليمرات خصائص توصيل ضوئي مُحسّنة. ^{[ 224 ]} عادةً ما يكون الجرافين كارهًا للماء وغير منفذ لجميع الغازات والسوائل (محكم الإغلاق). ومع ذلك، عند تشكيلها في غشاء شعري قائم على أكسيد الجرافين، يتدفق كل من الماء السائل وبخار الماء عبره بنفس سرعة تدفقهما في حال عدم وجود الغشاء. ^{[ 225 ]}

في عام 2022، قيّم الباحثون التأثيرات البيولوجية لجرعات منخفضة من أكسيد الجرافين على يرقات وذبابة الفاكهة (دروسوفيلا ميلانوجاستر) . أظهرت النتائج أن تناول أكسيد الجرافين عن طريق الفم بتركيزات تتراوح بين 0.02% و1% له تأثير إيجابي على معدل نمو اليرقات وقدرتها على الفقس. كما أن تناول جرعات منخفضة من أكسيد الجرافين لفترات طويلة يطيل عمر ذبابة الفاكهة ويعزز بشكل ملحوظ مقاومتها للضغوط البيئية. تشير هذه النتائج إلى أن أكسيد الجرافين يؤثر على استقلاب الكربوهيدرات والدهون في ذبابة الفاكهة البالغة. قد توفر هذه النتائج مرجعًا مفيدًا لتقييم التأثيرات البيولوجية لأكسيد الجرافين، الذي قد يلعب دورًا هامًا في العديد من التطبيقات الطبية الحيوية القائمة على الجرافين. ^{[ 226 ]}

يمكن تحضير شظايا الجرافين القابلة للذوبان في المختبر من خلال التعديل الكيميائي للجرافيت. ^{[ 227 ]} في البداية، يُعالج الجرافيت الميكروكريستالي بمزيج حمضي من حمض الكبريتيك وحمض النيتريك . وتؤدي سلسلة من خطوات الأكسدة والتقشير إلى إنتاج صفائح جرافين صغيرة ذات مجموعات كربوكسيل على حوافها. تُحوّل هذه الصفائح إلى مجموعات كلوريد حمضية بمعالجتها بكلوريد الثيونيل ؛ ثم تُحوّل إلى أميد الجرافين المقابل بمعالجتها بأوكتاديسيل أمين. وتكون المادة الناتجة (طبقات جرافين دائرية بسمك 5.3 أنغستروم أو 5.3 × 10⁻¹⁰ متر ) قابلة للذوبان في رباعي هيدروفوران ، ورباعي كلوريد الكربون، ^وثنائي كلورو الإيثان .  

يؤدي تسخين أكسيد الجرافين أحادي الطبقة (SLGO) في المذيبات إلى تقليل حجم الصفائح الفردية وثنيها، بالإضافة إلى فقدان وظائف مجموعة الكربوكسيل بنسبة تصل إلى 20%، مما يشير إلى عدم استقرار حراري لصفائح SLGO يعتمد على طريقة تحضيرها. عند استخدام كلوريد الثيونيل، تتكون مجموعات كلوريد الأسيل ، والتي يمكن أن تشكل بدورها أميدات أليفاتية وعطرية بنسبة تحويل تفاعلية تتراوح بين 70 و80%.

يُستخدم التسخين الارتجاعي بالهيدرازين عادةً لاختزال SLGO إلى SLG(R)، لكن المعايرات تُظهر أن حوالي 20-30% فقط من مجموعات الكربوكسيل تُفقد، مما يترك عددًا كبيرًا منها متاحًا للارتباط الكيميائي. يكشف تحليل SLG(R) الناتج بهذه الطريقة أن النظام غير مستقر، وأن استخدام التحريك عند درجة حرارة الغرفة مع حمض الهيدروكلوريك (< 1.0 مولار) يؤدي إلى فقدان حوالي 60% من وظائف COOH. معالجة SLGO بالكاربوديميدات عند درجة حرارة الغرفة تؤدي إلى انهيار الصفائح الفردية إلى تجمعات نجمية الشكل تُظهر تفاعلًا ضعيفًا لاحقًا مع الأمينات (حوالي 3-5% تحويل للمركب الوسيط إلى الأميد النهائي). ^{[ 228 ]} من الواضح أن المعالجة الكيميائية التقليدية لمجموعات الكربوكسيل على SLGO تُحدث تغييرات مورفولوجية في الصفائح الفردية، مما يؤدي إلى انخفاض في التفاعل الكيميائي، وهو ما قد يحد من استخدامها في تركيب المواد المركبة. لذلك، تم استكشاف أنواع أخرى من التفاعلات الكيميائية. كما تم تطعيم أكسيد الجرافين أحادي الطبقة (SLGO) ببولي أليل أمين ، وربطه بروابط إيبوكسية . وعند ترشيحه في ورق أكسيد الجرافين، تُظهر هذه المركبات صلابة وقوة متزايدة مقارنةً بورق أكسيد الجرافين غير المعدل. ^{[ 229 ]}

تؤدي الهدرجة الكاملة من كلا جانبي طبقة الجرافين إلى تكوين الجرافين ، بينما تؤدي الهدرجة الجزئية إلى تكوين الجرافين المهدرج. ^{[ 230 ]} وبالمثل، تؤدي الفلورة من كلا جانبي الجرافين (أو التقشير الكيميائي والميكانيكي لفلوريد الجرافيت) إلى تكوين الجرافين الفلوري (فلوريد الجرافين)، ^{[ 231 ]} في حين أن الفلورة الجزئية ( الهلجنة عمومًا ) توفر الجرافين المفلور (المهلجنة).

يمكن أن يكون الجرافين ربيطةً لتنسيق المعادن وأيوناتها عن طريق إدخال مجموعات وظيفية. تتشابه هياكل ربيطات الجرافين، على سبيل المثال، مع معقدات البورفيرين المعدنية ، والفثالوسيانين المعدنية ، والفينانثرولين المعدنية . ويمكن لأيونات النحاس والنيكل أن ترتبط بربيطات الجرافين. ^{[ 232 ] [ 233 ]}

في عام 2011، أبلغ باحثون عن نهج جديد وبسيط لتصنيع ألياف الجرافين من أغشية الجرافين المُنمّاة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار. ^{[ 234 ]} تميزت هذه الطريقة بقابليتها للتطوير والتحكم، حيث أتاحت الحصول على مورفولوجيا وبنية مسامية قابلة للتعديل من خلال التحكم في تبخر المذيبات ذات التوتر السطحي المناسب . وفي عام 2013، تم عرض مكثفات فائقة مرنة صلبة بالكامل تعتمد على ألياف الجرافين هذه. ^{[ 235 ]}

في عام 2015، أدى إدخال شظايا صغيرة من الجرافين في الفراغات التي تشكلها صفائح الجرافين الملفوفة الأكبر حجمًا، بعد عملية التلدين، إلى توفير مسارات للتوصيل، بينما ساعدت الشظايا في تقوية الألياف. وقد وفرت الألياف الناتجة موصلية حرارية وكهربائية أفضل ، بالإضافة إلى قوة ميكانيكية ^أعلى . وبلغت الموصلية الحرارية 1290 واط / متر / كلفن ، بينما بلغت قوة ^الشد 1080 ميجا باسكال . ^[ 236 ]   

في عام 2016، تم إنتاج ألياف غرافين متصلة بطول كيلومترات، تتميز بخصائص ميكانيكية فائقة وموصلية كهربائية ممتازة، وذلك من خلال عملية غزل رطب عالية الإنتاجية لبلورات أكسيد الغرافين السائلة، تلتها عملية تحويل إلى غرافيت باستخدام استراتيجية هندسية متكاملة للعيوب. ^{[ 237 ]} تُبشر ألياف الغرافين ذات الأداء المتميز بتطبيقات واسعة في المنسوجات الوظيفية، والمحركات خفيفة الوزن، والأجهزة الإلكترونية الدقيقة، وغيرها.

تزعم جامعة تسينغهوا في بكين، بقيادة وي فاي من قسم الهندسة الكيميائية، أنها قادرة على إنتاج ألياف أنابيب الكربون النانوية التي تتمتع بقوة شد تبلغ 80 جيجا باسكال (12,000,000 رطل لكل بوصة مربعة ) . ^{[ 238 ]}  

في عام 2013، أُطلق مصطلح "الجرافين ثلاثي الأبعاد" على بنية ثلاثية الأبعاد تشبه قرص العسل، تتكون من ذرات كربون مرتبة سداسيًا، كما تم إنتاج جرافين ثلاثي الأبعاد ذاتي الدعم. ^{[ 239 ]} يمكن تصنيع هياكل الجرافين ثلاثية الأبعاد باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) أو الطرق القائمة على المحاليل. وقدّم استعراضٌ نُشر عام 2016 من قِبل خُرّم وشو وآخرين ملخصًا لأحدث التقنيات آنذاك لتصنيع بنية الجرافين ثلاثية الأبعاد وغيرها من المواد ثنائية الأبعاد ذات الصلة. ^{[ 240 ]} وفي عام 2013، أبلغ باحثون في جامعة ستوني بروك عن طريقة جديدة للربط المتقاطع المُحفّز بالجذور الحرة لتصنيع هياكل مسامية ثلاثية الأبعاد قائمة بذاتها من الجرافين وأنابيب الكربون النانوية، باستخدام المواد النانوية كعناصر بناء دون الحاجة إلى أي مصفوفة بوليمرية داعمة. ^{[ 241 ]} تُستخدم هذه الهياكل/الرغوات ثلاثية الأبعاد المصنوعة من الجرافين (الكربون بالكامل) في العديد من المجالات مثل تخزين الطاقة، والترشيح، والإدارة الحرارية، والأجهزة الطبية الحيوية وزراعة الأعضاء. ^{[ 240 ] [ 242 ]}

تم الإبلاغ في عام 2016 عن بنية نانوية من الجرافين على شكل صندوق (BSG) تظهر بعد التحلل الميكانيكي للجرافيت البيروليتي. ^{[ 243 ]} هذه البنية النانوية المكتشفة عبارة عن نظام متعدد الطبقات من قنوات نانوية مجوفة متوازية تقع على طول السطح ولها مقطع عرضي رباعي الأضلاع. يبلغ سمك جدران القناة حوالي 1  نانومتر. تشمل المجالات المحتملة لتطبيقات BSG أجهزة الكشف فائقة الحساسية ، والخلايا التحفيزية عالية الأداء، والقنوات النانوية لتسلسل الحمض النووي ومعالجته، وأسطح تبديد الحرارة عالية الأداء، والبطاريات القابلة لإعادة الشحن ذات الأداء المحسن، والمرنانات النانوية الميكانيكية ، وقنوات مضاعفة الإلكترونات في أجهزة النانو الإلكترونية الباعثة، والمواد الماصة عالية السعة لتخزين الهيدروجين بشكل آمن .

كما تم الإبلاغ عن وجود طبقة ثنائية ثلاثية الأبعاد من الجرافين. ^{[ 244 ] [ 245 ]}

الجرافين المدعم هو بنية كربونية هجينة، تتكون من مصفوفة موجهة من أنابيب الكربون النانوية المتصلة من طرفيها بصفيحة من الجرافين. وقد وُصف نظريًا لأول مرة من قبل جورج فروداكيس وزملائه في جامعة كريت باليونان عام 2008. لم يُصنّع الجرافين المدعم في المختبر حتى الآن، ولكن يُعتقد أنه قد يمتلك خصائص إلكترونية مفيدة، أو قد يُستخدم كمادة لتخزين الهيدروجين.

يُعدّ الجرافين المُدعّم بقضبان تقوية من أنابيب الكربون النانوية المدمجة ("الحديد المُقوّى") أسهل في التشكيل، مع تحسين الخصائص الكهربائية والميكانيكية لكلا المادتين. ^{[ 246 ] [ 247 ]}

تُطلى أنابيب الكربون النانوية أحادية أو متعددة الجدران المُعدَّلة وظيفيًا على رقائق نحاسية بتقنية الطلاء الدوراني، ثم تُسخَّن وتُبرَّد، باستخدام الأنابيب النانوية نفسها كمصدر للكربون. عند التسخين، تتحلل مجموعات الكربون الوظيفية إلى غرافين، بينما تنقسم الأنابيب النانوية جزئيًا وتُشكِّل روابط تساهمية مستوية مع الغرافين، مما يُضفي عليها مزيدًا من المتانة. كما تُعزِّز نطاقات التراص π–π هذه المتانة. يمكن للأنابيب النانوية أن تتداخل، مما يجعل المادة موصلًا أفضل من الغرافين المُنمَّى بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) التقليدية. تُجسِّر الأنابيب النانوية بفعالية حدود الحبيبات الموجودة في الغرافين التقليدي. تُزيل هذه التقنية آثار الركيزة التي رُسِّبت عليها الصفائح المنفصلة لاحقًا باستخدام الترسيب الطبقي. ^{[ 246 ]}

تم اقتراح استخدام طبقات قليلة كبديل فعال من حيث التكلفة ومرن من الناحية الفيزيائية لأكسيد الإنديوم والقصدير (ITO) المستخدم في الشاشات والخلايا الكهروضوئية . ^{[ 246 ]}

في عام ٢٠١٥، طوّر باحثون من جامعة إلينوي في أوربانا-شامبين (UIUC) نهجًا جديدًا لتشكيل أشكال ثلاثية الأبعاد من صفائح ثنائية الأبعاد مسطحة من الجرافين. ^{[ ٢٤٨ ]} حيث وُضِعَ غشاء من الجرافين، مُنَقَّط في مذيب لجعله ينتفخ ويصبح مرنًا، فوق ركيزة أساسية. تبخر المذيب تدريجيًا، تاركًا وراءه طبقة من الجرافين اتخذت شكل البنية الأساسية. وبهذه الطريقة، تمكنوا من إنتاج مجموعة من الأشكال الدقيقة ذات البنية المجهرية المعقدة نسبيًا. ^{[ ٢٤٩ ]} وتتراوح أبعاد هذه الأشكال من ٣.٥ إلى ٥٠ ميكرومترًا. وقد تم دمج كل من الجرافين النقي والجرافين المُزخرف بالذهب بنجاح مع الركيزة. ^{[ ٢٥٠ ]}

تم قياس كثافة هلام هوائي مصنوع من طبقات من الجرافين مفصولة بأنابيب نانوية كربونية، حيث بلغت 0.16 ملليغرام لكل سنتيمتر مكعب. يتم تجفيف محلول من الجرافين والأنابيب النانوية الكربونية في قالب بالتجميد لإزالة الماء منه، تاركًا الهلام الهوائي. يتميز هذا الهلام بمرونة وامتصاص فائقين، إذ يمكنه استعادة شكله بالكامل بعد ضغط يزيد عن 90%، وامتصاص ما يصل إلى 900 ضعف وزنه من الزيت، بمعدل 68.8 غرام في الثانية. ^{[ 251 ]}

في عام ٢٠١٥، تم اكتشاف شكل حلزوني من الجرافين في الكربون الجرافيتي (الفحم). وينتج هذا التأثير الحلزوني عن عيوب في الشبكة السداسية للمادة، مما يجعلها تلتف حلزونيًا على طول حافتها، محاكيةً سطح ريمان ، حيث يكون سطح الجرافين عموديًا تقريبًا على المحور. عند تطبيق جهد كهربائي على هذا الملف، يتدفق تيار كهربائي حول الحلزون، مُنتجًا مجالًا مغناطيسيًا. تنطبق هذه الظاهرة على الحلزونات ذات الأنماط المتعرجة أو ذات النمط الكرسي، وإن كانت بتوزيعات تيار مختلفة. أشارت المحاكاة الحاسوبية إلى إمكانية مُضاهاة محث حلزوني تقليدي بقطر ٢٠٥ ميكرومتر بملف نانوي لا يتجاوز عرضه ٧٠ نانومترًا، بقوة مجال تصل إلى ١ تسلا . ^{[ ٢٥٢ ]}

أظهرت دراسة أجراها ياكوبسون وفريقه أن الملفات النانوية اللولبية، التي تم تحليلها باستخدام نماذج حاسوبية في جامعة رايس، قادرة على توليد مجالات مغناطيسية قوية تبلغ حوالي 1  تسلا، أي ما يعادل تقريبًا قوة المجال المغناطيسي في الملفات الموجودة في مكبرات الصوت التقليدية، وقوة المجال المغناطيسي في بعض أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي. وقد وجدوا أن المجال المغناطيسي سيكون في أقوى حالاته داخل التجويف النانوي الموجود في مركز الملف اللولبي. ^{[ 252 ]}

يتصرف الملف اللولبي المصنوع من هذا النوع من الملفات كموصل كمي يتغير فيه توزيع التيار بين القلب والخارج بتغير الجهد المطبق، مما ينتج عنه حث غير خطي . ^{[ 253 ]}

في عام 2016، قدمت جامعة براون طريقةً لـ"تجعيد" الجرافين، بإضافة تجاعيد إلى المادة على المستوى النانوي. وقد تحقق ذلك بترسيب طبقات من أكسيد الجرافين على غشاء قابل للانكماش، ثم تقليصه، مع إذابة الغشاء قبل تقليصه مرة أخرى على غشاء آخر. أصبح الجرافين المجعد فائق الكراهية للماء ، وعند استخدامه كقطب كهربائي للبطارية، أظهرت المادة زيادة تصل إلى 400% في كثافة التيار الكهروكيميائي . ^{[ 254 ] [ 255 ]}

يمكن إنتاج هياكل الجرافين الصغيرة، مثل النقاط الكمومية والأشرطة النانوية، باستخدام طرق "البناء من الأسفل إلى الأعلى" التي تُركّب الشبكة من مونومرات الجزيئات العضوية (مثل حمض الستريك والجلوكوز). أما طرق "البناء من الأعلى إلى الأسفل"، فتستخدم مواد كيميائية قوية (مثل الأحماض المختلطة) لتقطيع الجرافيت والجرافين الخام. ^{[ 257 ]}

أشهر الطرق وأكثرها نظافةً وبساطةً لعزل صفائح الجرافين، والتي تُعرف باسم التفتيت الميكانيكي الدقيق أو ما يُسمى بالعامية بطريقة الشريط اللاصق، طُوّرت من قِبل نوفوسيلوف وآخرون عام 2004، وتستخدم شريطًا لاصقًا لتفتيت بلورات الجرافيت عالية الجودة ميكانيكيًا إلى صفائح رقيقة متدرجة. توجد طرق أخرى أيضًا، مثل التقشير. ^{[ 257 ]}

يمكن تصنيع الجرافين عن طريق فتح أنابيب الكربون النانوية بالقطع أو الحفر. ^{[ 269 ]} في إحدى هذه الطرق، تم فتح أنابيب الكربون النانوية متعددة الجدران في محلول باستخدام برمنجنات البوتاسيوم وحمض الكبريتيك . ^{[ 270 ] [ 271 ]} في عام 2014، تم تصنيع جرافين مدعم بأنابيب الكربون النانوية عن طريق الطلاء الدوراني والتلدين لأنابيب الكربون النانوية المُعالجة وظيفيًا. ^{[ 246 ]}

ثمة طريقة أخرى تقوم برش كرات بوكي بسرعات تفوق سرعة الصوت على سطح ما. تنكسر الكرات عند الاصطدام، ثم تلتصق الأقفاص المفتوحة الناتجة معًا لتشكيل غشاء من الجرافين. ^{[ 272 ]}

أفاد ب. بوهم بإنتاج رقائق أحادية الطبقة من أكسيد الجرافين المختزل في عام 1962. ^{[ 273 ] [ 274 ]} التسخين السريع لأكسيد الجرافيت والتقشير ينتج عنه مسحوق كربون عالي التشتت مع نسبة قليلة من رقائق الجرافين.

تتمثل إحدى الطرق الأخرى في اختزال أغشية أكسيد الجرافيت أحادية الطبقة، على سبيل المثال باستخدام الهيدرازين مع التلدين في الأرجون / الهيدروجين ، مع الحفاظ على هيكل كربوني سليم تقريبًا يسمح بإزالة فعالة للمجموعات الوظيفية. وقد تجاوزت حركة حاملات الشحنة المقاسة 1000  سم²/فولت.ثانية (10 م/فولت.ثانية). ^{[ 275 ]}

أدى حرق قرص DVD مطلي بأكسيد الجرافيت إلى إنتاج طبقة جرافين موصلة (1738 سيمنز لكل متر) ومساحة سطحية محددة (1520 متر مربع لكل غرام) كانت شديدة المقاومة وقابلة للتشكيل. ^{[ 276 ]}

تم تحضير معلق أكسيد الجرافين المختزل المشتت في الماء باستخدام طريقة التجفيف الحراري المائي دون استخدام أي مواد خافضة للتوتر السطحي. هذه الطريقة سهلة التطبيق صناعيًا، وصديقة للبيئة، واقتصادية. أكدت قياسات اللزوجة أن معلق الجرافين الغرواني (سائل الجرافين النانوي) يُظهر سلوكًا نيوتونيًا، حيث تُظهر لزوجته تشابهًا كبيرًا مع لزوجة الماء. ^{[ 277 ]}

يمكن تآكل جزيئات الجرافيت في الأملاح المنصهرة لتكوين مجموعة متنوعة من البنى النانوية الكربونية، بما في ذلك الجرافين. ^{[ 278 ]} يمكن تفريغ كاتيونات الهيدروجين، المذابة في كلوريد الليثيوم المنصهر، على قضبان الجرافيت المستقطبة كاثوديًا، والتي بدورها تتخلل صفائح الجرافين وتقشرها. أظهرت صفائح الجرافين النانوية الناتجة بنية أحادية البلورة بحجم جانبي يبلغ عدة مئات من النانومترات، ودرجة عالية من التبلور والاستقرار الحراري. ^{[ 279 ]}

يمكن للتخليق الكهروكيميائي تقشير الجرافين. ويتحكم تغيير الجهد النبضي في سمك الرقائق ومساحة سطحها وعدد العيوب، مما يؤثر على خصائصها. تبدأ العملية بغمر الجرافيت في مذيب لعملية التداخل. ويمكن تتبع العملية من خلال مراقبة شفافية المحلول باستخدام مصباح LED وثنائي ضوئي. ^{[ 280 ] [ 281 ]}

تم تحضير الجرافين باستخدام سكريات مثل الجلوكوز والفركتوز ، وغيرها. يُعدّ هذا التخليق "من الأسفل إلى الأعلى" الخالي من الركائز أكثر أمانًا وبساطة وصديقًا للبيئة من التقشير. تتيح هذه الطريقة التحكم في سُمك الجرافين، بدءًا من طبقة أحادية وصولًا إلى طبقات متعددة، وهو ما يُعرف باسم "طريقة تانغ لاو". ^{[ 282 ] [ 283 ] [ 284 ] [ 285 ]}

تم إنتاج كميات بالجرام عن طريق تفاعل الإيثانول مع معدن الصوديوم ، متبوعًا بالتحلل الحراري والغسل بالماء. ^{[ 286 ]}

في عام ٢٠١٢، أُفيد بأن طاقة الميكروويف تُستخدم لتخليق الجرافين مباشرةً في خطوة واحدة. ^{[ ٢٨٧ ]} يتجنب هذا النهج استخدام برمنجنات البوتاسيوم في مزيج التفاعل. كما أُفيد بأنه بمساعدة إشعاع الميكروويف، يمكن تخليق أكسيد الجرافين، سواءً كان مثقوبًا أم لا، عن طريق التحكم في مدة التسخين بالميكروويف. ^{[ ٢٨٨ ]} يمكن للتسخين بالميكروويف أن يُقلل وقت التفاعل بشكل كبير من أيام إلى ثوانٍ.

يمكن أيضاً تصنيع الجرافين عن طريق التحلل الحراري المائي بمساعدة الموجات الدقيقة . ^{[ 218 ] [ 219 ]}

تسخين كربيد السيليكون (SiC) إلى درجات حرارة عالية (يؤدي تسخينه عند درجة حرارة 1100  درجة مئوية تحت ضغوط منخفضة (حوالي 10⁻⁶ ^تور ، أو 10⁻⁴ ^باسكال ) إلى اختزاله إلى غرافين. ^{[ 98 ] [ 99 ] [ 100 ] [ 101 ] [ 102 ] [ 289 ]}

بحسب تقريرٍ صادرٍ عن فريقٍ بقيادة د. هـ. آدمسون، يُمكن إنتاج الجرافين من الجرافيت الطبيعي مع الحفاظ على سلامة طبقاته باستخدام طريقة احتجاز الجرافين عند سطح التماس (SITM). تعتمد هذه الطريقة على سطح تماسٍ عالي الطاقة، كالزيت والماء، لفصل الجرافيت وتحويله إلى جرافين. ينفصل الجرافيت المتراكم، أو ينتشر، عند سطح التماس بين الزيت والماء، مُنتجًا طبقاتٍ قليلة من الجرافين في عمليةٍ مُلائمةٍ من الناحية الديناميكية الحرارية، تمامًا كما تنتشر جزيئات المواد الخافضة للتوتر السطحي الصغيرة لتقليل طاقة سطح التماس. وبهذه الطريقة، يتصرف الجرافين كعاملٍ خافضٍ للتوتر السطحي ثنائي الأبعاد. ^{[ 306 ] [ 307 ] [ 308 ]} تم الإبلاغ عن استخدام تقنية SITM في تطبيقات متنوعة مثل رغوات البوليمر الموصلة والجرافين، ^{[ 309 ] [ 310 ] [ 311 ] [ 312 ]} والكرات المجهرية من البوليمر الموصل والجرافين، ^{[ 313 ]} والأغشية الرقيقة الموصلة ^{، [ 314 ]} والأحبار الموصلة. ^{[ 315 ]}

يؤدي تفاعل طارد للحرارة بشدة إلى احتراق المغنيسيوم في تفاعل أكسدة واختزال مع ثاني أكسيد الكربون، مما ينتج عنه جزيئات نانوية كربونية بما في ذلك الجرافين والفوليرين . ^{[ 316 ]}

استُخدم التسارع فوق الصوتي للقطرات عبر فوهة لافال لترسيب أكسيد الجرافين المختزل على سطح ما. تعمل طاقة الاصطدام على إعادة ترتيب ذرات الكربون هذه لتكوين جرافين نقي. ^{[ 317 ] [ 318 ]}

في عام 2014، شركةاستُخدم ليزر الأشعة تحت الحمراء _لإنتاج شبكات أغشية غرافين مسامية ثلاثية الأبعاد مُنمّطة بتقنية الليزر (LIG) من أغشية بوليمرية تجارية. تتميز المادة الناتجة بموصلية كهربائية عالية ومساحة سطحية كبيرة. تتوافق عملية الحث بالليزر مع عمليات التصنيع المتواصلة. ^{[ 319 ]} وقد تم الإبلاغ عن مادة مماثلة، وهي ألياف الغرافين المُحفّزة بالليزر (LIGF)، في عام 2018. ^{[ 320 ]}

في عام ٢٠١٩، اكتُشف أن التسخين الوميضي لجول (التسخين الكهروحراري العابر بدرجة حرارة عالية) يُعدّ طريقةً لتصنيع الجرافين التوربوستراتي على شكل مسحوق. تتضمن هذه الطريقة التحويل الكهروحراري لمصادر كربونية متنوعة، مثل أسود الكربون والفحم ومخلفات الطعام، إلى رقائق جرافينية دقيقة الحجم. ^{[ ٢٠٩ ] [ ٣٢١ ]} وقد أظهرت دراسات أحدث استخدام مخلفات البلاستيك المختلطة ، وإطارات المطاط المستعملة، ورماد الانحلال الحراري كمواد أولية للكربون. ^{[ ٣٢٢ ] [ ٣٢٣ ] [ ٣٢٤ ]} تخضع عملية الجرافين للتحكم الحركي، ويتم اختيار جرعة الطاقة للحفاظ على الكربون في حالته الجرافينية (إذ يؤدي إدخال طاقة زائدة إلى تحويله لاحقًا إلى جرافيت من خلال التلدين).

يؤدي تسريع أيونات الكربون داخل مجال كهربائي إلى أشباه موصلات مصنوعة من أغشية رقيقة من النيكل على ركيزة من SiO2 _/ Si، إلى إنشاء طبقة غرافين خالية من التجاعيد/التمزق/البقايا على مستوى الرقاقة ( 4 بوصات (100 مم) ) عند درجة حرارة منخفضة نسبيًا تبلغ 500 درجة مئوية. ^{[ 325 ] [ 326 ]}  

يتطلب دمج الجرافين في عملية تصنيع CMOS واسعة الانتشار تصنيعه المباشر على ركائز عازلة  دون الحاجة إلى نقله، وذلك عند درجات حرارة أقل من 500 درجة مئوية. في مؤتمر IEDM 2018، عرض باحثون من جامعة كاليفورنيا، سانتا باربرا ، عملية تصنيع جرافين جديدة متوافقة مع CMOS عند 300 درجة مئوية، وهي مناسبة لتطبيقات BEOL  (الوصلات الخلفية للخط ). ^{[ 327 ] [ 328 ] [ 329 ]} تتضمن هذه العملية انتشار الكربون في الحالة الصلبة بمساعدة الضغط عبر طبقة رقيقة من محفز معدني. وقد أظهرت أغشية الجرافين المصنعة ذات المساحة الكبيرة جودة عالية (عبر توصيف رامان ) وقيم مقاومة مماثلة عند مقارنتها بأغشية الجرافين المصنعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) عند درجات حرارة عالية، والتي لها نفس المقطع العرضي، وصولاً إلى عرض 20 نانومتر .