グラフェンとは？2次元炭素素材の定義・特性・応用をわかりやすく解説

グラフェンの定義・構造・特性・最新応用を初心者向けにわかりやすく解説。電池・電子・材料開発の可能性と研究動向も紹介。

グラフェンは炭素の形態の一つです。ダイヤモンドやグラファイトと同様に、炭素の形態（または「同素体」）は、異なる結晶構造を持ち、それによって異なる特性を持つ。グラフェンは、グラファイト、炭、フラーレン、カーボンナノチューブなどの多くの3D同素体の基本的な2D（2次元）形態である。

グラフェンという言葉は、1962年に単層カーボンフォイルを記述したHanns-Peter Boehmによって、グラファイトと接尾辞「-ene」を組み合わせた造語として作られました。グラフェンは、炭素原子とその結合からなるハニカム構造または「鶏の針金」のようなものである。グラファイトは、多数のグラフェンシートを積み重ねたものである。

単層グラフェンは炭素原子が平面内でsp2結合し、各原子が3つの隣接原子と強い共有結合を作る二次元の六角格子（ハニカム）を形成します。格子のπ電子は格子上を広く移動でき、この電子構造が電気伝導性や独特のバンド構造（ディラックコーン）を生み出します。グラファイトの層間距離は約0.335 nmで、単層の実効的な厚さは約0.34 nm程度とされます。

300万枚のグラフェンシートを重ねてグラファイトにすると、厚さはわずか1ミリしかない。

代表的な特性（簡潔に）

• 電気伝導性：グラフェンは非常に高い電子移動度を示します（理想的条件下で10万〜20万 cm2/V·s 以上報告）。実用サンプルでは基板や欠陥により値は下がりますが、銅より高い導電性を示すことが多いです。
• 熱伝導性：単層グラフェンの熱伝導率は数千 W/m·K に達することが報告されています。これにより放熱素材としての応用が期待されます。
• 機械的強度：ヤング率は約1 TPa、引張強さは約130 GPa と非常に高強度で、軽量な複合材料の強化材として有望です。
• 光学特性：単層あたり約2.3%の可視光を吸収し、高い透明導電膜として利用可能です。
• 電子構造：ディラック点で電子が質量なしのディラック粒子のように振る舞うため、量子ホール効果や高速電子デバイスへの可能性があります。ただし、純粋な単層グラフェンはバンドギャップがほとんどない（ゼロギャップ半金属）ため、トランジスタ用途ではバンドギャップ工学（ナノリボン化や二層への電場印加など）が必要です。

主な合成法・製造法

• 機械的剥離（スコッチテープ法）：アンドレ・ガイムとコンスタンチン・ノボセロフが2004年に用い、単層グラフェンの研究を飛躍させた手法。高品質だが面積が小さい。
• 化学蒸着法（CVD）：銅やニッケル基板上に大面積のグラフェンを成長させる方法で、産業応用に向けた主流のひとつ。
• SiC上のエピタキシャル成長：高温でSiCの表面からケイ素を脱離させることでグラフェン層を得る。
• 酸化グラフェン（GO）の還元：水溶性で加工しやすいGOを化学的・熱的に還元してグラフェン風の材料を得るが、欠陥や酸素官能基が残り性能は劣る。

評価・解析法

• ラマン分光（Gピーク、2Dピークの形状と位置）は層数や欠陥の評価に必須。
• 透過型電子顕微鏡（TEM）、走査型プローブ顕微鏡（AFM/STM）で構造や層数、表面形態を確認。
• X線光電子分光（XPS）や電子移動度測定で化学状態や電気特性を評価。

応用例（実用化・研究中の領域）

• 透明導電膜（タッチパネル、ディスプレイのITO代替）
• 高周波・高速度トランジスタ、RFデバイス
• 複合材料の強化材（軽量化と強度向上）
• センシング（ガスセンサー、生体センサー）：高感度で表面機能化も容易
• エネルギー：グラフェンスーパーキャパシタは、高速充放電が可能な電気二重層や複合電極として期待。リチウムイオン電池の電極や導電性インク、導電ペーストとしても研究されています。
• 分離膜・透過膜（水処理、脱塩、ガス分離）
• 熱管理材料（放熱シートやヒートスプレッダ）
• スピントロニクスや量子デバイスなど先端領域

技術的な課題と安全性

• 大面積で高品質、均一な単層グラフェンを安価に作ることはまだ課題。欠陥や多層化、転写プロセスでの汚染が性能低下の主因。
• バンドギャップがないためロジック用トランジスタへの応用には工夫が必要（ナノリボン化、両層への電場印加など）。
• 環境・健康面では、粉体やナノ材料としての暴露リスク（吸入や生体内応答）を評価する必要があり、用途によっては安全対策が求められます。

2010年のノーベル物理学賞は、アンドレ・ガイム卿とコンスタンチン・ノボセロフ卿が「2次元物質グラフェンに関する画期的な実験」で受賞しました。彼らの仕事は機械的剥離法で単層グラフェンを得てその特性を示したことに対してのものです。

研究は基礎物理学から応用技術まで広がっており、今後も製造コストの低減、スケールアップ、デバイス集積化、環境・安全面の整備が進めば、より多くの実用分野での採用が期待されています。

質問と回答

Q:グラフェンとは何ですか?

Q:グラフェンとグラファイトの関連は?

Q: 「グラフェン」という言葉は誰がつくったのか?

Q: 2010年のノーベル物理学賞は、アンドレ・ガイム卿とコンスタンチン・ノボセロフ卿の2人が受賞したそうですが、その理由は何ですか?

Q: グラフェンの応用にはどのようなものがありますか?

Q: グラフェン以外に、炭素にはどのような形態や同素体があるのですか?

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