۴) سیستم های ماکروسکوپیک ساخته شده از نانوساختارها می توانن چگالی بسیار بیشتری نسبت به مواد ساخته شده از میکروساختارها داشته باشند وهمچنین هدایت الکتریکی بهتری دارند. با بهره گرفتن از بر هم کنش نانو ساختارها مفاهیم جدیدی در ابزارهای الکترونیکی، مانند مدارهای کوچکتر و سریعتر، کارآیی بسیار پیشرفته تر و مصرف برق بسیار کمتر پدید می آید.
۱-۳- کربن
کربن یکی از عناصر شگفت انگیز طبیعت است و کاربردهای آن در زندگی بشر، به خوبی این نکته را تایید می کند. نقش مهم این عنصر در پیوندهای کربنی و مولکولهای آلی حیات و توانایی اتم های کربن در تشکیل شبکه های پیچیده مبنایی برای وجود حیات در عالم است]۱۲[. ماهیت متنوع این پیوند است که به کربن اجازه تشکیل بعضی نانوساختارهای جالب، بخصوص نانو لوله های کربنی را میدهد. کربن با عدد اتمی ۶ در گروه چهارم جدول تناوبی قرار دارد. این عنصر یکی از عناصر اصلی موجودات زنده را دربر گرفته است. بنابر این بیشتر دانشمندان سعی می کنند ترکیبات کربنی را در شاخه شیمی آلی بررسی کنند. اتم های کربن همه جا هستند و داشتن ظرفیت چهار پیوندی به آنها اجازه می دهد تا با دیگر اتم های کربن زنجیره ای از اتم ها را ایجاد کرده و بتوانند در نقاطی از زنجیره با انواع دیگری از اتم ها پیوند تشکیل دهند. هیچ عنصر دیگری در جدول دوره ای عناصر نیست که بتواند پیوندی چنین قوی با خودش تشکیل دهد و بتواند به روش های مختلفی با اتم های کربن پیوند برقرار کند که در این حالت دارای مشخصه های یک گاز خواهند بود. در عین حال ممکن است با یکدیگر یک زنجیر بلند تشکیل دهند که ایجاد یک جامد می نماید یا اینکه می توانند بصورت شبکه های دو و سه بعدی با یکدیگر پیوند تشکیل دهند تا موادی بسیار سخت مانند الماس بوجود آید. با قابلیت هایی مانند موارد گفته شده، اتم های کربن برای استفاده در نانو مواد عالی هستند.

۱-۴- گونه های مختلف کربن در طبیعت
کربن نقش یگانه ای در طبیعت بازی می کند. شکل گیری اتم کربن در ستاره ها نتیجه همجوشی سه ذره آلفا بوده و این فرایند عامل بوجو آورنده تمام عناصر نسبتا سنگین عالم است]۱۳[. این عنصر از دیرباز برای انسان بصورت دوده و زغال چوب شناخته شده بود. گونه های متفاوت دیگری از کربن نیز در طبیعت وجود دارد که تفاوت این گونه ها صرفا به شکل گیری اتم های کربن نسبت به هم یا به ساختار شبکه ای آنها برمی گردد. اتم های کربن به روش های مختلفی باهم پیوند می دهند. نحوه پیوند خواص ماده کربنی حاصل و شکل آن را تعیین می کند. کربن به چهار صورت مختلف در طبیعت یافت می شود که همه این چهار شکل جامد هستند و در ساختار آنها اتم های کربن به صورت کاملا منظم در کنار یکدیگر قرار گرفته اند. در بخش بعد،آلوتروپ های مختلف کربن بیان شده اند.
۱-۴-۱- کربن بی شکل
از سوختن ناقص بسیاری از هیدروکربن ها و یا مواد آلی (مثل چوب یا پلاستیک) ماده سیاه رنگی به جا می ماند که کربن بی شکل یا آمورف^[۲۶] نام دارد. این ماده که پس مانده سوخت ناقص مواد آلی است از دیرباز جهت تولید انرژی بشر مورد استفاده قرار می گرفت. زغال چوب و زغال سنگ از انواع مواد کربن بی شکل هستند که انسان با سوزاندن آنها انرژی زیادی را بدست می آورد.
۱-۴-۲- الماس
در الماس با عنوان سخت ترین ماده جهان دارای ساختار بلوری منظمی می باشد(شکل۱-۱). در این ساختار هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند برقرار می کند که به آن ساختار مکعبی شکل و پایدار می دهد و باعث استحکام و سختی زیادی در آن می شود. دلیل این سختی زیاد این است که در الماس هر اتم کربن به سه اتم دیگر تشکیل پیوند می دهد که فاصله بین اتم ها در حدود ۱۷/۰ نانومتر است که باعث تشکیل یک شبکه fcc با ثابت شبکه ۳۶۵/۰ نانومتر است]۱۴[. این ماده بدلیل سختی بالا تمام عناصر موجود در طبیعت را می خراشد و از اینرو در تراش فلزات سخت، سرامیکها و شیشه از آن استفاده می کنند. این ماده بدلیل درخشش بالایی که دارد از دیرباز در جواهرآلات نیز مورد استفاده قرار می گرفته است.
شکل ۱-۱- ساختار الماس
۱-۴-۳- گرافیت^[۲۷]
گرافیت یکی از مهمترین ساختارهای کربن در طبیعت است و از قرار گرفتن ۶ اتم کربن در کنار یکدیگر بوجود آمده است. این اتم های کربن بگونه ای با یکدیگر ترکیب شده اند که یک شش ضلعی منظم را پدید می آورند و از مجموع آنها صفحه ای بدست می آید که به عنوان یک لایه گرافیت درنظر گرفته می شود و گرافن نامیده می شود. مجموع صفحه های گرافن با هم کنش ضعیف واندروالس^[۲۸] بین آنها گرافیت را می سازند(شکل۱-۲). فاصله پیوند کربن – کربن در صفحه گرافن ۱۴۲۱/۰ نانومتر و فاصله بین صفحه ها برابر ۳۴/۰ نانومتر است]۱۵[.
اتم های کربن با پیوندهای کووالانسی^[۲۹] قوی و محکم، حتی محکمتر از پیوندهای اتم های الماس، به یکدیگر متصل شده اند. اتم های کربن بکار رفته در یک لایه گرافیت نمی توانند با کربنی خارج از این لایه پیوند کووالانسی ایجاد کنند، بنابراین هرلایه گرافیت از طریق پیوندهای واندروالس به لایه زیرین متصل می شود، در نتیجه اگر نیرویی در راستای سطح به ساختار این ماده اعمال شود به آسانی نمی توان پیوند بین اتم های آن را شکست، زیرا هرکدام از این اتم ها با پنج اتم دیگر پیوند کووالانسی تشکیل داده اند و بسیار پایدارند اما در عین حال صفحه های گرافیت براحتی می توانند روی یکدیگر بلغزند و به همین دلیل از این ترکیب در روغنکاری و روانکاری و نوشتن استفاده می شود. نوک مداد از برگه های زیاد و موازی خیلی محکم گرافیت تشکیل شده است اما تنها به اندازه یک اتم ضخامت دارند که این اندازه حتی از یک نانومتر هم کمتر است. همانند بنزن هر اتم کربن درون گرافیت دارای یک الکترون اضافه است، یعنی یکی بیش از تعداد اتم هایی که کربن با آنها پیوند برقرار کرده است. اربیتال های اتمی برای این الکترونها روی یکدیگر قرار می گیرند و یک اربیتال مولکولی^[۳۰] ایجاد می کنند که به الکترونهای غیر مستقر اجازه حرکت آزاد از میان برگه های^[۳۱] گرافیت را می دهد، به همین خاطر است که گرافیت می تواند هادی الکتریسیته باشد. دو مشخصه از برگه های گرافیت که باعث می شود آنها در نانوتکنولوژی خیلی مفید باشند، استحکام و توانایی آنها برای عبور دادن الکتریسیته می باشد.
شکل ۱-۲- لایه های گرافیت روی یکدیگر
۱-۴-۴- فولرین
در سال ۱۹۸۵ ریچارد اسملی^[۳۲] ساختار جدیدی از کربن را کشف کرد که فولرین نامگذاری شد]۱۶[. از ساده ترین نوع فولرین ها می توان به کربن ۶۰ یا اصطلاحا C₆₀ اولین فولرینی بود که کشف شد(شکل۱-۳). این مولکول همانند یک توپ فوتبال کروی است که مرکب از ۲۰ وجه شش ضلعی و ۱۲ وجه پنج ضلعی است. اتم های کربن در ساختار فولرین با تقارنی مشابه تقارن باکی بال^[۳۳] کنار هم قرار می گیرد]۱۷ [. یک باکی بال در حقیقت یک مولکول است که در آن ۶۰ اتم کربن وجود دارد.
فولرین ها ترکیباتی خالص از کربن هستند که در طبیعت بسیار کم یافت می شوند اما بدلیل شکل هندسی و تقارن های موجود در آنها خواص عجیبی مانند مقاومتی چند برابر فولاد، مقاومت در برابر گرما، کشش و ضربه و … از خود نشان می دهند]۱۸ و ۱۹[. دانشمندان دریافتند به غیر از C₆₀ می توانند به ساختارهای C₇₀ ، C₇₈ و C₇₆ نیز برسند اما این ساختارها نسبت به کربن ۶۰ از پایداری کمتری برخوردارند.
شکل ۱-۳- ۶۰ اتم کربن به شکل یک کره، باکی بالها را بوجود می آورند.
۱-۴-۵- نانو لوله های کربنی
بعد از کشف فولرین ها دانشمندان زیادی شروع به انجام آزمایشهایی جهت ساخت مولکولهای جدید از کربن کردند. در سال ۱۹۹۱ سومیو ایجیما^[۳۴] بدنبال یک آزمایش تصادفی موفق به کشف نانو لوله های کربنی چند دیواره^[۳۵] شد]۲۰[. دو سال بعد از گزارش کشف نانو لوله های کربنی چند دیواره، ایجیما و همکارانش توانستند نانولوله های کربنی تک دیواره^[۳۶] را بسازند]۲۱[. در یک نانو لوله کربنی، اتم های کربن در ساختاری استوانه ای شکل، آرایش یافته اند، یعنی یک لوله توخالی که جنس دیواره اش از اتم های کربن است(شکل۱-۴). آرایش اتم های کربن در دیواره این ساختار استوانه ای، دقیقا مشابه آرایش اتم های کربن در صفحه گرافن است]۲۰[. به علت نسبت طول به قطر بالا در نانو لوله ها، می توان آنها را بعنوان نانو ساختارهای یک بعدی در نظر گرفت. اهمیت نانو لوله ها در فناوری به علت آن است که نانو لوله ها به هر دو صورت نیمرسانا و رسانا یافت می شوند که این ویژگی آنها را برای استفاده در کاربردهای نانو الکترونیک برگزیده می سازد.
شکل ۱-۴- نانو لوله ی کربنی
۱-۵- تفاوت ساختار گرافیت و الماس
کربن جامد دوساختار اصلی دارد که صورتهای چند شکلی^[۳۷] نامیده می شوند. این شکل ها که در دمای اتاق پایدار هستند الماس و گرافیت اند. تفاوت رفتار و خواص گرافیت و الماس را به نوع اتصال و پیوند شیمیایی اتم های کربن نمی توان نسبت داد زیرا در هر دو شکل این ماده، که تنها دارای اتم های کربن است، یک نوع پیوند شیمیایی وجود دارد. بلکه علت در چگونگی اتصالات و پیوندهای شیمیایی این دو شکل کربن است. الماس شامل اتم های کربنی است که به صورت چهار وجهی و با پیوندهای هیبرید sp³ بهم متصل شده اند. گرافیت از شش گوشه هایی پیوسته از اتم های کربن که بوسیله پیوندهای هیبرید sp² بهم متصل شده اند و باهم زوایای ۱۲۰ درجه می سازند. در برابر ساختار لایه ای گرافیت، الماس دارای یک ساختار شبکه ای است. در گرافیت پیوندهای اولیه یعنی پیوندهای اتمی تنها دریک سطح برقرار می شود در حالیکه در ساختار الماس این پیوندها بصورت شبکه ای سه بعدی فضا را پر می کنند. در ساختار گرافیت هر اتم کربن با سه اتم کربن دیگر اتصال اتمی از جنس کووالانسی ایجاد می کند، در حالیکه در ساختار الماس هر اتم کربن با چهار اتم کربن دیگر پیوند اتمی و از جنس کووالانسی برقرار می نماید. بنابراین ساختار با مشخص کردن نوع، تعداد و چگونگی پیوندهای تشکیل دهنده مواد، تاثیر بسزایی در خواص دارد. همچنین برای دستیابی به برخی از خواص می توان ساختار متناسب با آنها را طرحی نمود.
۱-۶- شکل دو بعدی کربن
شکل دو بعدی کربن گرافن نامیده می شود و ممکن است بهترین آلوتروپ قابل مطالعه کربن از لحاظ نظری باشد. همانطور که در شکل (۱-۵) مشاهده می شود گرافن صفحه ای مسطح از شش گوش هایی با اتم های کربن است]۲۲[. اگرچه احتمال وجود ورقه گرافن بصورت نظری برای سالیان سال وجود داشته است اما تا همین اواخر جداسازی یک لایه تک اتمی کاری بی نهایت مشکل به حساب می رفت. با اینکه سه نوع از آلوتروپهای کربن در سه بعد (الماس و گرافیت)، یک بعدی (نانو لوله ها) و صفر بعدی (فولرین) شناخته شده بود، مشاهدات تجربی برای شکل گم شده دو بعدی آن تا این اواخر به نتیجه نرسیده بود. هرچند نخستین بار در سال ۱۹۴۷ فیلیپ والاس^[۳۸] درباره گرافن نوشت و پس از آن افراد زیادی تلاش می کردند بلور اتمی دو بعدی را بسازند و معمولا بلورهای مقیاس نانومتری بدست می آمد و کارهایشان بی نتیجه می ماند] ۲۳[. چون نظریه، امکان وجود بلورهای واقعا دوبعدی را صریحا رد می کند(برخلاف وجود سیستم های متعدد شبه دو بعدی)] ۲۴[. بعلاوه در مراحل ساخت گرافن سطوح خیلی بزرگ به آلوتروپهای دیگر تبدیل می شوند.
نزدیک ۷۰ سال پیش لاندائو و پایرلز^[۳۹] استدلال کردند که شبکه اکیدا دو بعدی به لحاظ ترمودینامیکی ناپایدار است و نمی تواند وجود داشته باشد. نظریه آنها به این نکته اشاره داشت که سهم افت و خیزهای گرمایی در بلور با ابعاد کم، هم مرتبه و قابل مقایسه با فاصله اتمی ذرات در نقاط شبکه ای است]۲۵[. این بحث توسط مرمین توسعه داده شد و توسط مشاهدات تجربی دیگران تایید شد]۲۴[. تا اینکه در سال ۲۰۰۴ گرافن دو بعدی پایدار در آزمایشگاه گروه گایم ساخته شد. این گروه از دانشگاه منچستر انگلستان که توسط آندره گایم و کوستیا نووسلف سرپرستی می شدند به کمک شیوه ای کاملا متفاوت و طبیعی گرافن را ساختند و تحولی در بررسی های مربوط به کربن بوجود آوردند. جایزه نوبل فیزیک ۲۰۱۰ نیز بخاطر ساخت ماده ای دو بعدی به این دو دانشمند تعلق گرفت]۲۶[. آنها از گرافیت سه بعدی شروع کردند و ورقه تک لایه (یک لایه اتمی) را با روشی که شکاف میکرومکانیکی^[۴۰] نامیده می شود استخراج کردند]۲۷[. براساس محاسبات و آزمایشهای این گروه، تحرک الکترونها در گرافن خالص در دمای اتاق بیشتر از مواد هادی دیگری مانند طلا، سیلیکون، گالیم، آرسنیک و نانو لوله های کربنی است. شاید دو عامل مهم در عدم شناسایی ساختارهای دوبعدی پیش از کار گایم و همکارانش نقش داشتند. اولین مساله اینکه قضیه ای به نام قضیه ویگنر - مرمین^[۴۱] در مکانیک آماری و نظریه میدان های کوانتومی وجود داشت که ساخت یک ماده دوبعدی را غیر ممکن و چنین ماده ای را غیر پایدار می دانست که بنابر آن ادعا شد هیچ نظم بلند برد دوبعدی در دماهای غیر صفر نمی توان یافت]۲۸[. بنابراین هیچ ساختار دوبعدی منظم و پایدار با ابعاد بزرگ در آزمایشگاه نمی توان تولید کرد. دلیل دوم نبود امکانات اندازه گیری مقیاس اتمی که بتواند پستی بلندی سطح را با دقت زیر نانومتر اندازه بگیرد. با همه این موانع گایم موفق شد با شگردی خاص گرافن را در ابعاد چند ده میکرونی تولید و آنرا با میکروسکوپ نیروی اتمی^[۴۲] (AFM) مشاهده کند. این نتیجه تجربی به ظاهر در تناقض با قضیه ویگنر - مرمین بود اما در اصل تناقضی وجود نداشت زیرا مطالعات تجربی با بهره گرفتن از میکروسکوپهای الکترونی عبوری^[۴۳] (TEM) نشان دادند که گرافن تولید شده یک شبکه براوه^[۴۴] کامل نیست و علاوه بر دررفتگی ها و نابجایی های اتم کربن، سطح آن کاملا ناهموار است. این افت و خیز ها باعث می شود گرافن تولید شده کاملا دوبعدی نباشد. آنچه گرافن را حائز اهمیت کرده است خواص منحصر بفرد آن است که این ماده را بعنوان نامزدی برای کاربرد در کارهای آتی در الکترونیک مانند ترانزیستورهای مبتنی بر ترکیبات کربن مطرح می کند]۲۶[.
علاوه بر این، این گروه روش مشابهی برای ساختن بلورهای دوبعدی دیگر مانند بورن – نیترید و ابرساناهای دمای بالاCa – Cu – O Bi – Sr - استفاده کردند و نشان دادند قضیه ویگنر - مرمین نمی تواند کاملا درست باشد. این یافته ها پیام مهمی دارد که بلورهای دوبعدی وجود دارند و تحت شرایط ویژه ای پایدارند]۲۷[. شگفت آور است که این رویکرد نه چندان پیچیده به آسانی قادر به تولید بلورهای گرافنی بزرگ (بیشتر از صد میکرومتر) و البته با کیفیت بالای بلور گرافیتی است و بلافاصله هدف فعالیتهای تجربی بسیار زیادی قرار گرفت]۲۹ و ۳۰[.
شکل ۱-۵- یک صفحه منفرد گرافیت که اتم های کربن با پیوند sp² تشکیل شده است.
این اتم ها یک ساختار لانه زنبوری را بوجود آورده اند.
۱-۷- گرافن و خصوصیات آن
گرافن ماده ای است که در آن تنها یکی از لایه های گرافیت وجود دارد و بعبارتی چهارمین الکترون پیوندی کربن، بعنوان الکترون آزاد باقی مانده است. گرافن که ساختار دوبعدی از یک لایه منفرد شبکه لانه زنبوری^[۴۵]، کربنی می باشد بعلت داشتن خواص فوق العاده در رسانندگی الکتریکی و رسانندگی گرمایی، چگالی بالا و تحرک پذیری^[۴۶] حامل های بار، رسانندگی اپتیکی و خواص مکانیکی به ماده ای منحصربفرد تبدیل شده است.
این سامانه جدید حالت جامد بواسطه این خواص بعنوان کاندید بسیار مناسب برای جایگزینی سیلیکان در نسل بعدی قطعه های فوتونیکی و الکترونیکی در نظر گرفته شده است و از این رو توجه کم سابقه ای را در تحقیقات بنیادی و کاربردی به خود جلب کرده است.
لایه های گرافنی از ۵ تا ۱۰ لایه را به نام گرافن کم لایه و بین ۲۰ تا ۳۰ لایه را به نام گرافن چند لایه، گرافن ضخیم و یا نانوبلورهای نازک گرافیتی می نامند. گرافن خالص تک لایه از خود خواص شبه فلزی نشان می دهد]۳۱[. در گرافن طیف حامل ها شبیه به فرمیونهای دیراک بدون جرم می باشد و بعلاوه کوانتش ترازهای لاندائو، اثر کوانتومی هال صحیح و کسری باعث شده است توجه بسیاری از فیزیکدانها از حوزه های مختلف فیزیک به آن جلب شود]۳۲[. در گرافن فضای بین ترازهای انرژی متناسب با B/E است که B میدان مغناطیسی عمود بر سطح گرافن و E انرژی شبه ذرات دیراک است. در حد انرژی کم، فضای بین ترازهای انرژی بسیار بزرگ شده و مشاهده اثر غیر عادی کوانتومی هال^[۴۷] در دمای اتاق را امکان پذیر می کند]۱ و ۳۳[.
معادله دیراک ذرات کوانتومی نسبیتی با اسپین۲ ̸ ۱ را توصیف می کند. خصوصیت اصلی طیف دیراک وجود پاد ذرات است که از اصول موضوعه مکانیک کوانتومی و نظریه نسبیت بدست می آید. بطور خاص، حالات با انرژی های مثبت و منفی (الکترونها و پوزیترونها) بطور مطلوبی بهم مربوطند و با مولفه های مختلف یک تابع حالت اسپینوری توصیف می شوند. اینکه حمل بار الکتریکی در گرافن شبیه طیف دیراک توصیف می شود و نه معادله شرودینگر معمولی غیر نسبیتی، می تواند نتیجه ای از ساختار بلوری گرافن باشد. الکترونها و حفره ها در گرافن بهم مرتبط اند و خصوصیت مشابه تقارن همیوغ – باری در الکترودینامیک کوانتومی (QED) از خود نشان می دهند.شبه ذرات گرافن مجبورند با توابع موج دو مولفه ای مشخص شوند که در تعریف سهم های نسبی دو زیر شبکه لازم می شود. این توصیف دو مولفه ای برای گرافن شبیه توابع موج اسپینوری در (QED) است، اما اندیس اسپین برای گرافن معرف یک زیرشبکه است نه اسپین واقعی الکترونها و معمولا آن را به شبه اسپین (σ) می شناسند]۳۳ و ۳۴ [.
۱-۷-۱- خواص اپتیکی
خواص اپتیکی منحصر بفرد گرافن، موجب بروز یک شفافیت بالای غیر منتظره برای یک تک لایه اتمی با یک مقدار ساده شگفت انگیز شده است. یک تک لایه گرافن % ۳/۲ ≈aπ از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب می کند که در آن a ثابت ساختار ریز شبکه می باشد. این امر نتیجه ساختار الکترونیکی کم انرژی غیر معمول گرافن تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی – حفره ای گرافن می دهد تا آنها در نقاط دیراک بهم برسند که بطور کیفی از سایر نوارهای انرژی فشرده مرتبه دو معمول متفاوت است]۳۵[. بر مبنای مدل از ساختار نواری گرافن، فواصل بین اتمی، مقادیر پرش و فرکانس به هنگام محاسبه رسانندگی اپتیکی با بهره گرفتن از معادلات فرنل در حد لایه های نازک از بین می رود. این امر بطور تجربی تایید شده ولی هنوز مقادیر اندازه گیری شده به اندازه کافی برای محاسبه ثابت ساختار ریز دقیق نبوده است.
۱-۷-۲ ساختار اتمی
ساختار اتمی تک لایه مجزای گرافن به روش TEM برروی ورقه هایی از گرافن که در بین دو شبکه آهنی نگه داشته شده اند، مطالعه شده است. طرح های پراش الکترونی ساختار شش ضلعی گرافن را نشان داده اند. علاوه بر این گرافن از خود اعوجاجهایی را برروی این ورقه های تخت نشان داده اند با دامنه ای در حدود یک نانومتر که ممکن است خصلت ذاتی برای گرافن بخاطر ناپایداری کریستالهای دو بعدی و یا حتی در اثر عوامل خارجی ای ناشی از ناخالصی^[۴۸] هایی از که در سرتاسر گرافن وجود دارد و توسط تصاویر TEM تهیه شده از گرافن مشاهده شده اند، بوجود آمده باشند. تصاویر فضای حقیقی با دقت اتمی گرفته شده از تک لایه گرافن برروی زیر لایه^[۴۹] Sio₂ بوسیله روش میکروسکوپی تونل زنی اسکن کننده^[۵۰] تهیه شده اند. این تصاویر نشان داده اند اعوجاج های موجود بخاطر ترکیب و تطبیق یافتن تک لایه گرافن با زیر لایه Sio₂ ایجاد شده اند و یک خصلت ذاتی برای آن نمی باشند]۳۶[.
۱-۷-۳- ساختار الکترونی
همان طور که بیان شد گرافن از اتم های کربن با ساختار، تشکیل می شود. الکترون ها در اربیتال پیوند قوی دارند و الکترون های مغزه^[۵۱] نامیده می شوند. چهار الکترون باقی مانده الکترون های ظرفیت هستند. از آنجایی که تفاوت انرژی بین سطح ۲s و ۲p خیلی کوچک تر از انرژی پیوندی^[۵۲] آن هاست، بردار موج این چهار الکترون به آسانی می توانند در فرآیندی تحت عنوان هیبریدیزاسیون^[۵۳] با هم ترکیب شوند(شکل۱-۶). سه حالتی که در صفحه xy با زاویه ۱۲۰ درجه نسبت به هم قرار می گیرند، پیوندهای σ را شکل می دهند. این پیوند های کوالانسی با همسایه ها شکل می گیرند و نهایتا منجر به ساختار شش گوشی^[۵۴] گرافن می شوند]۳۷[. پیوندهای کوالانسی کربن - کربن در گرافن شبیه پیوندهایی است که الماس را شکل می دهند، لذا ویژگی های گرمایی و مکانیکی گرافن مشابه الماس است]۵[.

(الف) (ب)
شکل ۱-۶- هیبریدیزاسیون در گرافن
الف : اشغال اربیتال های اتمی در فرایند هیبریدیزاسیون ب : ساختار اربیتالی بعد از فرایند هیبریدیزاسیون
حالت باقی مانده اربیتال است که حالت نامیده می شود و در راستای محور zجهت گیری می کند. الکترون ها در این حالت پیوند های ضعیفی دارند و بنابراین می توانند به راحتی بین اتم های همسایه جهش^[۵۵] کنند. به همین دلیل الکترون های ، مسئول ویژگی های الکترونیکی گرافن هستند]۳۷[. تحرک حامل ها درگرافن در دمای اتاق از مرتبه ۱۰۰۰۰ گزارش شده است و این تحرک حتی با وارد کردن ناخالصی همچنان نسبتا بالا باقی می ماند]۶[. به این ترتیب حامل های بار می توانند در لایه های گرافنی، حتی در دمای اتاق، فواصل تقریبا طولانی را بدون پراکندگی طی کنند و این امر گرافن را از نقطه نظر کاربردهای میکروالکترونیک و نیزساخت وسایل اسپینترونیک بسیار با اهمیت می سازد]۳۸[. ویژگی های الکترونیکی چشمگیر نانولوله های کربنی نیزنتیجه مستقیم همین پیوند است ]۵[. همچنین از دیگر ویژگی های قابل توجه گرافن می توان به پایداری آن در دماهای بسیار بالا و نیز خاصیت انعطاف پذیری آن اشاره کرد]۳۸[.