1985年美國科學家發現的富勒烯，1991年日本科學家發現的碳納米管，2004年英國科學家發現的石墨烯，將碳材料家族，從零維的富勒烯，到一維的碳納米管，到二維石墨烯，再到三維的石墨等，形成了完整的碳材料體系。尤其是二維碳原子晶體-石墨烯，更是推翻了嚴格二維晶體無法在有限溫度下存在的理論。
富勒烯 碳納米管 石墨烯
1-石墨烯的結構
石墨烯是一種由碳原子以SP2雜化連接形成的單原子層二維晶體，碳原子規整的排列於蜂窩狀點陣結構單元之中。每個碳原子除了以σ 鍵與其他三個碳原子相連之外，剩餘的π電子與其他碳原子的π電子形成離域大π鍵，電子可在此區域內自由移動，從而使石墨烯具有優異的導電性能。同時，這種緊密堆積的蜂窩狀結構也是構造其他碳材料的基本單元，單原子層的石墨烯可以包裹形成零維的富勒烯，單層或者多層的石墨烯可以捲曲形成單壁或者多壁的碳納米管。
由於二維晶體在熱力學上的不穩定性，所以不管是以自由狀態存在或是沉積在基底上的石墨烯都不是完全平整，而是在表面存在本徵的微觀尺度的褶皺。這種微觀褶皺在橫向上的尺度在8-10nm範圍內，縱向尺度大概為0.7-1.0nm。這種三維的變化可引起靜電的產生，所以使石墨烯單層容易聚集。同時，褶皺大小不同，石墨烯所表現出來的電學及光學性質也不同。
石墨烯微觀褶皺
除了表面褶皺之外，在實際中石墨烯也不是完美存在的，而是會有各種形式的缺陷，包括形貌上的缺陷（如五元環，七元環等）、空洞、邊緣、裂紋、雜原子等。這些缺陷會影響石墨烯的本徵性能，如電學性能、力學性能等。但是通過一些人為的方法，如高能射線照射，化學處理等引入缺陷，卻能有意的改變石墨烯的本徵性能，從而製備出不同性能要求的石墨烯器件。
石墨烯缺陷
2-石墨烯的性質
石墨烯獨特的單原子層結構，決定了其擁有許多優異的物理性質。如前所述，石墨烯中的每個碳原子都有一個未成鍵的π電子，這些電子可形成與平面垂直的π軌道，π電子可在這種長程π軌道中自由移動，從而賦予了石墨烯出色的導電性能。研究表明室溫下載流子在石墨烯中的遷移率可達到15000cm2/(V.s)，相當於光速的1/300，在特定條件下，如液氦的溫度下，更是可以達到25000cm2/(V.s)，遠遠超過其他半導體材料，並且電子在晶格中的移動是無障礙的，不會發生散射，使其具有優良的電子傳輸性質。同時，石墨烯獨特的電子結構還使其表現出許多奇特的電學性質，比如室溫量子霍爾效應等。
由於石墨烯中的每個碳原子均與相鄰的三個碳原子結合成很強的σ鍵，因此石墨烯同樣表現出優異的力學性能。據哥倫比亞大學科學家利用原子力顯微鏡直接測試單層石墨烯的力學性能，發現石墨烯的楊氏模量約為1100GPa，斷裂強度更是達到了130GPa，比最好的鋼鐵還要高100倍。
石墨烯同樣是一種優良的熱導體。因為在未摻雜石墨中載流子密度較低，因此石墨烯的傳熱主要是靠聲子的傳遞，而電子運動對石墨烯的導熱可以忽略不計。其導熱係數高達5000W/(m.K)，優於碳納米管，更是比一些常見金屬，如金銀銅等高10倍以上。
除了優異的傳導性能及力學性能外，石墨烯還具有一些其他新奇的性質。由於石墨烯邊緣及缺陷處有孤對電子，石墨烯具有鐵磁性等磁性能。石墨烯單原子層的特殊結構，使石墨烯的理論比表面積高達2630m2/g。石墨烯也具備獨特的光學性能，單層石墨烯在可見光區的透過率達97%以上。這些特性使得石墨烯成為最具潛力最引人暢想的材料，可以在納米器件、傳感器、儲氫材料、複合材料、場發射材料等重要領域有著廣泛的應用前景。