石墨烯是一种由单层碳原子以sp²杂化轨道组成的二维纳米材料，其结构可看作是剥离后的单层石墨，或由碳原子以六边形晶格排列形成的蜂巢状平面薄膜。每个碳原子通过3个σ键与相邻碳原子连接，形成六边形晶格，剩余1个p电子形成离域π键，覆盖整个平面，赋予石墨烯优异的导电性和导热性。超薄性：厚度仅约0.335纳米（单原子层），是已知最薄的二维材料。高强度：抗拉强度达130 GPa，是钢的100倍以上，同时保持柔韧性。高导电性：电子迁移率极高（约200,000 cm²/(V·s)），电阻率极低（约10⁻⁶ Ω·cm），优于铜和银。高导热性：热导率可达5000 W/(m·K)，是铜的10倍以上。光学特性：单层石墨烯对可见光的吸收率仅约2.3%，呈现高透明度。

制备方法机械剥离法用胶带反复剥离高定向热解石墨（HOPG），获得单层石墨烯。此方法简单但产量低，适用于实验室研究。化学气相沉积（CVD）法在高温下将碳源（如甲烷）分解，碳原子在金属基底（如铜、镍）上沉积形成石墨烯。可制备大面积、高质量薄膜，是工业化的主流方法。氧化还原法将石墨氧化为氧化石墨烯（GO），再通过化学还原或热还原去除含氧基团，得到还原氧化石墨烯（rGO）。成本低但可能引入缺陷。外延生长法在单晶硅（SiC）表面高温分解，碳原子重排形成石墨烯。适用于制备高质量、大面积样品，但设备要求高。

应用领域电子器件晶体管：石墨烯的高电子迁移率使其成为高频、低功耗晶体管的理想材料，有望替代传统硅基器件。柔性显示屏：结合其透明性和柔韧性，可用于可折叠屏幕、触摸屏等。传感器：对气体、分子、压力等高度敏感，适用于环境监测、生物检测等。能源存储超级电容器：高比表面积和导电性提升能量密度和充放电速度。锂离子电池：作为负极材料或导电添加剂，提高电池容量和循环寿命。燃料电池：作为催化剂载体或电极材料，增强反应效率。复合材料与聚合物、金属或陶瓷复合，提升材料的强度、导电性或导热性，应用于航空航天、汽车等领域。