Mặc dù chỉ mới bắt đầu phát triển từ năm 2004, nhưng với những đặc tính xuất sắc như đã nêu trên, vật liệu graphene đã trở thành tâm điểm cho những nghiên cứu khoa học trên thế giới và đã được ứng dụng bước đầu vào trong các thiết bị của những lĩnh vực khác nhau, sau đây là một số ứng dụng điển hình:
Nhờ vào cấu trúc điện tử khác thường nên graphene có khả năng dẫn điện tốt với mức độ truyền qua cao, và vật liệu này đã được sử dụng làm điện cực trong suốt thay thế cho ITO, một bộ phận thiết yếu trong các thiết bị như: màn hình cảm ứng, màn hình tinh thể lỏng, tế bào quang điện, pin mặt trời hữu cơ… Năm 2009, màng graphene thu được từ phương pháp khử graphite oxide ở nhiệt độ cao ( với độ dày màng ~7nm) đã được sử dụng trong việc chế tạo OLED bởi một nhóm nghiên cứu người Mỹ và Trung Quốc (hình A.III.1), những đặc tính quang – điện của sản phẩm thu được có thể so sánh với các OLED chế tạo từ ITO [21].
Hình A.III.1- Cấu tạo của OLED có sử dụng graphene làm lớp điện cực trong suốt Ngoài những yêu cầu về tính dẫn điện và độ truyền qua cao, các điện cực oxide kim loại trong màn hình tinh thể lỏng và các thiết bị quang học còn cần phải có độ bền hóa học cao, nhằm để hạn chế sự khuếch tán của oxi và các ion kim loại vào trong các lớp vật liệu khác. Bởi vì sự khuếch tán của oxi vào trong các lớp điện môi có thể gây ra hiện tượng oxi
hóa, điều này sẽ dẫn đến việc đánh thủng điện môi chỉ với điện thế thấp, hoặc trong màn hình tinh thể lỏng khi các ion kim loại khuếch tán vào trong các lớp hiệu chỉnh sẽ tạo nên các bẩy điện tích tạo nên điện trường trên màn hình (hình A.III.2), điều này sẽ dẫn đến hiện tượng lưu ảnh (hay con gọi là hiện tượng bóng ma) trên màn hình. Các vấn đề này sẽ được khắc phục khi sử dụng graphene làm điện cực vì graphene được tạo thành từ các nguyên tử carbon nên là vật liệu có độ bền hóa học cao. Đặc biệt hơn, graphene còn có độ bền cơ học và tính dẻo vượt trội so với ITO nên nó còn được tiếp tục nghiên cứu để chế tạo các màn hình có khả năng uốn dẻo [27].
Hình A.III.2- Hình minh họa của thiết bị tinh thể lỏng với các lớp cơ bản. 1) thủy tinh; 2) graphene; 3) Cr/Au; 4) lớp hiệu chỉnh (polyvinyl alcohol); 5) lớp tinh thể lỏng;
6) lớp hiệu chỉnh; 7) ITO; 8) thủy tinh.
Trong việc chế tạo sensor nhạy khí thì graphene được xem là loại vật liệu tốt hơn hết, bởi vì graphene là vật liệu có cấu trúc phẳng 2 chiều nên nó có diện tích bề mặt rất lớn, (lên đến 2630m2/g [10], [31]) kết hợp với khả năng dẫn điện cao và độ nhiễu thấp.
Hình A.III.3- Phân tử nitrogen dioxide bám trên bề mặt của màng graphene
Khi các phân tử khí bám vào bề mặt graphene sẽ làm thay đổi điện trở cục bộ tại vị trí đó, và dựa trên cơ chế này mà các phân tử khí sẽ được phát hiện. Các sensor nhạy khí đã được chế tạo với kích thước micromet (hình A.III.3), có độ nhạy cao cho phép phát hiện các chất khí với nồng độ 10-6 [10].
Bên cạnh những ứng dụng thực tiễn đòi hỏi lớp graphene có cấu trúc càng hoàn hảo càng tốt như trên, thì cũng có những ứng dụng không kém phần quan trọng khác nhưng lại không yêu cầu cao về cấu trúc đồng đều của màng, điển hình như: sử dụng graphene trong việc chế tạo pin LIBs (thiết bị dùng để dự trữ năng lượng cho các thiết bị sử dụng lưu động). Graphene oxide được tổng hợp từ phương pháp hóa học (chi tiết phần A - IV.3), sẽ được khử bằng hóa chất hydrazine, nhiệt phân ở nhiệt độ thấp hoặc chiếu xạ bằng chùm điện tử thích hợp sẽ tạo nên sản phẩm được gọi là graphene paper. Quá trình oxi hóa và khử đã tạo nên nhiều điểm khuyết và mất trật tự trên bề mặt của màng, đồng thời làm cho khoảng cách giữa các lớp trong graphene paper ~ 0,4nm. Những khuyết tật này cùng với sự gia tăng khoảng cách giữa các lớp phù hợp cho việc bẫy và gỡ bỏ những ion Li nhanh chóng trong quá trình nạp và phóng điện của pin. Thực nghiệm đã chế tạo được các pin với điện dung từ 1013 – 1054 mA h/g, cao hơn so với các pin truyền thống sử dụng graphite làm điện cực với dung lượng lưu trữ <372 mA h/g [8].
Ngoài ra, màng graphene còn được sử dụng để chế tạo các siêu tụ điện với các ưu điểm so với tụ điện truyền thống là: điện dung lớn, thời gian sống dài, ít phải bảo dưỡng và trọng lượng nhỏ. Các transistor kích thước nano, transistor hiệu ứng trường được chế tạo từ chất liệu graphene cho thấy các electron có khả năng di chuyển mà không bị tán xạ từ điện cực nguồn đến điện cực thu ở nhiệt độ phòng. Đây là transistor đã được hai nhà nghiên cứu là Andre Geim và Kostya Novoselov thuộc trường đại học Manchester chế tạo.