在2004年，英国的物理学家康斯坦丁·诺沃肖洛夫以及安德烈·海姆[1]用微机械剥离法，成功地从石墨中分离出石墨烯，证实石墨烯也是可以单独存在。因“在二维石墨烯材料的开创性实验”，两人于2010年获得诺贝尔物理学奖。

石墨烯是一种由碳原子以sp2杂化轨道组成的新材料，它是构成其他碳元素同素异形体的基本单元[2]，是呈六角型蜂巢晶格的层状结构（图1）。同时，石墨烯也是已知材料中最薄的一种（厚度仅有0.335 nm）；由于它的共价键(sp2杂化形成的)，使得石墨烯具有优异的力学性能。

图1. 石墨烯的结构示意图

1.2  石墨烯的性质

石墨烯具有良好的力学性能，导热、导电性能以及光学性能，这使人们对它的力学性质、电学性质、光学性能、吸附性能都进行了深入研究。

1、 力学性质

美国哥伦比亚大学的两名华裔科学家研究发现：铅笔芯中含有一种二维碳原子晶体——石墨烯，它的硬度比钻石还要坚硬，强度比目前世界上最硬的钢铁还要高100倍，其杨氏模量达到1000 GPa，而断裂强度更是惊人的达到了42 N/m。因为石墨烯的高强度、高硬度，它不仅可以开发制造出纸片般轻薄的飞机材料，而且可以制造出超坚韧的防弹衣，甚至还可以为“太空电梯””缆线的制造打开一扇大门。“太空电梯”制造的最大障碍之一就是如何制造一根从地面连向太空卫星，长达2300英里且足够强韧的缆线。美国的科学家表明：地球上最高强度的石墨烯用来制备“太空电梯”的缆线完全适用。

2、 电学性质

石墨烯的电学性能是由其电子结构来决定。由于一般半导体的电子传导速率比石墨烯片层内的电子的传导率小的多，石墨烯片层内的电子的传导率可达到800 km/s[3]，有人曾通过实验来验证石墨烯比碳纳米管和富勒烯的超导性能好。故而在零电荷密度时，石墨烯也存在超电流。

石墨烯零质量的狄拉克—费米子行为、电子和空穴成对现象、室温量子霍尔效应、半整数量子霍尔效应等多种独特的电子结构和性质现已被研究证实。

3、 光学性能论文网

可见光波段：曾有人将石墨烯覆盖在几十个微米的孔洞上，射入太阳光，发现尽管只有单层原子厚度，它依然能够吸收大约2.3%的可见光。

红外波段：也有人曾将石墨烯在700~800 cm-1谱段进行研究，发现石墨中存在多子交互作用，随着门电压的增大，红外光所在波段的吸收和运输曲线由定值变为有所起伏，在波数为1250 cm-1左右时，吸收曲线达到谷底，吸收峰值向高频率方向迁移，且在高频率阶段受电压的影响逐渐减小。同时，石墨烯的光学传导率主要是由两倍费米能级，即载流子占据最高能级控制。

4、 吸附性能

 石墨烯能够吸附和脱附各种原子和分子，如氨气、二氧化氮、氢离子、氢氧根离子、钾离子等等。

此外，石墨烯的理论比表面积超大，它的热导率是铜的热导率的10倍多，同时石墨烯具有铁磁性、双极性电场效应等，这些优异的性质使石墨烯在很多领域具有良好的应用前景[4]。

1.3  石墨烯的用途

由于石墨烯具有许多优异的性能，注定了石墨烯有许多潜在的应用。

1、石墨烯在场效应晶体管方面的应用[9]：场效应晶体管用石墨烯纳米带来制备时，发现石墨烯是具有双极性电场效应。随着石墨烯的制备工艺的提升，石墨烯有望代替硅材料制备晶体管。