The ultimate aim of any detection method is to achieve such a level of sensitivity that individual quanta of a measured entity can be resolved. In the case of chemical sensors, the quantum is one atom or molecule. Such resolution has so far been beyond the reach of any detection technique, including solid-state gas sensors hailed for their exceptional sensitivity1,2,3,4. The fundamental reason limiting the resolution of such sensors is fluctuations due to thermal motion of charges and defects5, which lead to intrinsic noise exceeding the sought-after signal from individual molecules, usually by many orders of magnitude. Here, we show that micrometre-size sensors made from graphene are capable of detecting individual events when a gas molecule attaches to or detaches from graphene’s surface. The adsorbed molecules change the local carrier concentration in graphene one by one electron, which leads to step-like changes in resistance. The achieved sensitivity is due to the fact that graphene is an exceptionally low-noise material electronically, which makes it a promising candidate not only for chemical detectors but also for other applications where local probes sensitive to external charge, magnetic field or mechanical strain are required.

Although graphite is known as one of the most chemically inert materials, we have found that graphene, a single atomic plane of graphite, can react with atomic hydrogen, which transforms this highly conductive zero-overlap semimetal into an insulator. Transmission electron microscopy reveals that the obtained graphene derivative (graphane) is crystalline and retains the hexagonal lattice, but its period becomes markedly shorter than that of graphene. The reaction with hydrogen is reversible, so that the original metallic state, the lattice spacing, and even the quantum Hall effect can be restored by annealing. Our work illustrates the concept of graphene as a robust atomic-scale scaffold on the basis of which new two-dimensional crystals with designed electronic and other properties can be created by attaching other atoms and molecules.

The so-called Klein paradox—unimpeded penetration of relativistic particles through high and wide potential barriers—is one of the most exotic and counterintuitive consequences of quantum electrodynamics. The phenomenon is discussed in many contexts in particle, nuclear and astro-physics but direct tests of the Klein paradox using elementary particles have so far proved impossible. Here we show that the effect can be tested in a conceptually simple condensed-matter experiment using electrostatic barriers in single- and bi-layer graphene. Owing to the chiral nature of their quasiparticles, quantum tunnelling in these materials becomes highly anisotropic, qualitatively different from the case of normal, non-relativistic electrons. Massless Dirac fermions in graphene allow a close realization of Klein’s gedanken experiment, whereas massive chiral fermions in bilayer graphene offer an interesting complementary system that elucidates the basic physics involved.

We have studied temperature dependences of electron transport in graphene and its bilayer and found extremely low electron-phonon scattering rates that set the fundamental limit on possible charge carrier mobilities at room temperature. Our measurements show that mobilities higher than 200 000 cm2/V s are achievable, if extrinsic disorder is eliminated. A sharp (thresholdlike) increase in resistivity observed above approximately 200 K is unexpected but can qualitatively be understood within a model of a rippled graphene sheet in which scattering occurs on intraripple flexural phonons.

We present the science and technology roadmap for graphene, related two-dimensional crystals, and hybrid systems, targeting an evolution in technology, that might lead to impacts and benefits reaching into most areas of society. This roadmap was developed within the framework of the European Graphene Flagship and outlines the main targets and research areas as best understood at the start of this ambitious project. We provide an overview of the key aspects of graphene and related materials (GRMs), ranging from fundamental research challenges to a variety of applications in a large number of sectors, highlighting the steps necessary to take GRMs from a state of raw potential to a point where they might revolutionize multiple industries. We also define an extensive list of acronyms in an effort to standardize the nomenclature in this emerging field.

Carbon is one of the most intriguing elements in the Periodic Table. It forms many allotropes, some known from ancient times (diamond and graphite) and some discovered 10-20 years ago (fullerenes and nanotubes). Interestingly, the two-dimensional form (graphene) was only obtained very recently, immediately attracting a great deal of attention. Electrons in graphene, obeying a linear dispersion relation, behave like massless relativistic particles. This results in the observation of a number of very peculiar electronic properties – from an anomalous quantum Hall effect to the absence of localization – in this, the first two-dimensional material. It also provides a bridge between condensed matter physics and quantum electrodynamics, and opens new perspectives for carbon-based electronics.

There are two known distinct types of the integer quantum Hall effect. One is the conventional quantum Hall effect, characteristic of two-dimensional semiconductor systems1,2, and the other is its relativistic counterpart observed in graphene, where charge carriers mimic Dirac fermions characterized by Berry’s phase π, which results in shifted positions of the Hall plateaus3,4,5,6,7,8,9. Here we report a third type of the integer quantum Hall effect. Charge carriers in bilayer graphene have a parabolic energy spectrum but are chiral and show Berry’s phase 2π affecting their quantum dynamics. The Landau quantization of these fermions results in plateaus in Hall conductivity at standard integer positions, but the last (zero-level) plateau is missing. The zero-level anomaly is accompanied by metallic conductivity in the limit of low concentrations and high magnetic fields, in stark contrast to the conventional, insulating behaviour in this regime. The revealed chiral fermions have no known analogues and present an intriguing case for quantum-mechanical studies.

Among many remarkable qualities of graphene, its electronic properties attract particular interest due to a massless chiral character of charge carriers, which leads to such unusual phenomena as metallic conductivity in the limit of no carriers and the half-integer quantum Hall effect (QHE) observable even at room temperature [1-3]. Because graphene is only one atom thick, it is also amenable to external influences including mechanical deformation. The latter offers a tempting prospect of controlling graphene's properties by strain and, recently, several reports have examined graphene under uniaxial deformation [4-8]. Although the strain can induce additional Raman features [7,8], no significant changes in graphene's band structure have been either observed or expected for realistic strains of approx. 10% [9-11]. Here we show that a designed strain aligned along three main crystallographic directions induces strong gauge fields [12-14] that effectively act as a uniform magnetic field exceeding 10 T. For a finite doping, the quantizing field results in an insulating bulk and a pair of countercirculating edge states, similar to the case of a topological insulator [15-20]. We suggest realistic ways of creating this quantum state and observing the pseudo-magnetic QHE. We also show that strained superlattices can be used to open significant energy gaps in graphene's electronic spectrum.

We report a stoichiometric derivative of graphene with a fluorine atom attached to each carbon. Raman, optical, structural, micromechanical and transport studies show that the material is qualitatively different from the known graphene-based nonstoichiometric derivatives. Fluorographene is a high-quality insulator (resistivity >10^12 Ohm per square) with an optical gap of 3 eV. It inherits the mechanical strength of graphene, exhibiting Young's modulus of 100 N/m and sustaining strains of 15%. Fluorographene is inert and stable up to 400C even in air, similar to Teflon.

Graphene is considered as one of the most promising materials for post silicon electronics, as it combines high electron mobility with atomic thickness [Novoselov et al. Science 2004, 306, 666-669. Novoselov et al. Proc. Natl. Acad. Sci. U.S.A. 2005, 102, 10451-10453]. The possibility of chemical doping and related excellent chemical sensor properties of graphene have been demonstrated experimentally [Schedin et al. Nat. Mater. 2007, 6, 652-655], but a microscopic understanding of these effects has been lacking, so far. In this letter, we present the first joint experimental and theoretical investigation of adsorbate-induced doping of graphene. A general relation between the doping strength and whether adsorbates are open- or closed-shell systems is demonstrated with the NO2 system: The single, open shell NO2 molecule is found to be a strong acceptor, whereas its closed shell dimer N2O4 causes only weak doping. This effect is pronounced by graphene's peculiar density of states (DOS), which provides an ideal situation for model studies of doping effects in semiconductors. We show that this DOS is ideal for "chemical sensor" applications and explain the recently observed [Schedin et al. Nat. Mater. 2007, 6, 652-655] NO2 single molecule detection.