Il grafene è una molecola bidimensionale spessa un solo atomo, ovvero 0,35 nm, o 3,5 10-10m. Si può desumere dalla desinenza -ene che gli atomi sono ibridati e disposti in modo da formare esagoni con angoli di 120°. La presenza di imperfezioni rappresentate da pentagoni o ettagoni al posto degli esagoni deforma la sua struttura, con maggiore precisione possiamo dire che quando ci sono 12 pentagoni, si ha un fullerene, uno dei vari allotropi del carbonio, mentre in presenza di singoli pentagoni o ettagoni il grafene rivela solo alcune increspature della superficie.
La struttura cristallina di questa membrana di carbonio non è immobile ma grazie ad un impercettibile movimento oscillatorio acquista una terza dimensione che le permette di restare integra anziché frantumarsi, resistendo, così, maggiormente agli effetti del calore.
Sapendo che la frequenza operativa di un transistor è determinata dalla sua dimensione e dalla velocità con la quale gli elettroni si spostano al suo interno, si può capire per quale motivo nell'industria vi sia questa irrefrenabile corsa alla miniaturizzazione dei transistor in silicio.
Un aspetto chiave del grafene si trova nell'elevata velocità con la quale gli elettroni possono muoversi al suo interno, permettendo così la realizzazione di transistor ad elevate prestazioni.
Questo materiale, per quanto detto, è costituito da un singolo strato di atomi, tutti di carbonio che sono legati tra loro esagonalmente a nido d'ape, costituendo una specie di sottilissimo velo atomico. Proprio in virtù di questa disposizione gli elettroni possono muoversi al suo interno con estrema mobilità, spostandosi come particelle del tutto prive di massa.
Un ostacolo nella produzione di questi transistor basati sul grafene è rappresentato dal reperimento della stessa grafite, che è un minerale, in natura, molto meno presente del silicio e dall’altissima temperatura necessaria per poter modellare il grafene stesso. Si può dire di conseguenza che oggi produrre grafene in quantità e in modo riproducibile e' molto complicato.
Da qui l’idea di alcuni gruppi di ricerca che hanno pensato di ottenere grafene artificiale replicando la famosa struttura geometrica a nido d'ape in un semiconduttore all'arseniuro di gallio, creando in questo modo un semiconduttore fuori dal comune, che alle precedenti sue proprietà associa quelle straordinarie del grafene, il tutto all’interno di un materiale abitualmente usato nell'industria elettronica, facilmente lavorabile e scalabile.
Un’ altra soluzione per la produzione su larga scala del grafene si ottiene con lo sviluppo di un processo in cui un foglio di ossido di grafite è posto in una soluzione di idrazina pura, sostanza molto corrosiva, che lo riduce ad un sottilissimo strato di grafene, costituendo, di fatto, il futuro della ricerca del grafene nanoelettronico.
Un esempio di dispositivo ricavato da un singolo foglio di grafene può essere rappresentato da un “quantum dot”, ovvero una nanostruttura formata dall’inclusione di un materiale semiconduttore con una certa banda proibita all'interno di un altro semiconduttore con banda proibita più grande, costituito da quattro anelli di benzene connessi ad elettrodi di grafene, con un gate complanare che controlla il flusso di carica attraverso il circuito. Per l’utilizzazione come componente di transistor è tuttavia necessario indurre un gap fra banda di conduzione e banda di valenza, che si può ottenere drogando opportunamente il grafene oppure confinando la sua geometria, o in alternativa facendo crescere il grafene su un apposito substrato.
Queste ricerche hanno fatto ravvedere tutti i professionisti del settore elettronico che non ritenevano la legge di Moore, basata sul raddoppio ogni 18 mesi delle prestazioni dei microprocessori, ancora valida ed applicabile, poiché i transistor al silicio avrebbero ormai raggiunto la loro massima miniaturizzazione e il massimo livello di prestazioni.
