近20年來，碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。自富勒烯和碳納米管被科學家發(fā)現以后，三維的金剛石、“二維”的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片層結構一直以來是研究的一個熱點。石墨本身并非是真正意義的二維材料，單層石墨碳原子(Graphene)才是準二維結構的碳材料。石墨可以看成是多層石墨烯片堆垛而成，而碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。
一、什么是石墨烯
石墨烯是由碳六元環(huán)組成的兩維(2D)周期蜂窩狀點陣結構，它可以翹曲成0維(0D)的富勒烯(fullerene),卷成一維(1D)的碳納米管(carbon nano-tube, CNT)或者堆垛成三維(3D)的石墨(graphite), 因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩(wěn)定的苯六元環(huán), 是目前最理想的二維納米材料。理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看作是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。
石墨烯的結構非常穩(wěn)定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1．42?。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩(wěn)定。這種穩(wěn)定的晶格結構使石墨烯具有優(yōu)秀的導熱性。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發(fā)生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發(fā)生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。
二、石墨烯的問世
石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發(fā)現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經過5年的發(fā)展，人們發(fā)現，將石墨烯帶入工業(yè)化生產的領域已為時不遠了。因此，兩人在2005年獲得諾貝爾物理學獎。
石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，人們發(fā)現，石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發(fā)一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統(tǒng)的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞，傳統(tǒng)的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優(yōu)良特性
三、石墨烯的應用
石墨烯的應用范圍很廣，太陽能電池、生物器件、抗菌物質甚至未來的太空電梯都可以以石墨烯為原料。
石墨烯成為大幅提高“太陽能電池”轉換效率的王牌材料
石墨烯最能發(fā)揮威力的領域是有機薄膜太陽能電池領域。首次分離單層石墨烯的英國曼徹斯特大學研究人員康斯坦丁·諾沃肖洛夫（Konstantin Novoselov）曾在接受《日經電子》雜志采訪時表示“有機薄膜太陽能電池是最接近石墨烯實用化的應用之一”。
在太陽能電池中使用石墨烯作為中間電極的優(yōu)點是透明且與半導體層的相容性較高。特別是中間電極材料要求同時兼具這兩個性質。具體來說，“與（迄今普遍用做中間電極的）TiO2/PDOT相比，石墨烯電極與半導體層的相容性更好”
石墨烯生物器件
由于石墨烯的可修改化學功能、大接觸面積、原子尺?厚度、分子閘極結構等等特色，應用于細菌偵測與診斷器件，石墨烯是個很優(yōu)良的選擇。科學家希望能夠發(fā)展出一種快速與便宜的快速電子DNA定序科技。它們認為石墨烯是一種具有這潛能的材料�；径裕麄兿胍檬┲瞥梢粋�尺寸大約為DNA寬度的納米洞，讓DNA分子游過這納米洞。由于DNA的四個堿基（A、 C、 G、T）會對于石墨烯的電導率有不同的影響，只要測量DNA分子通過時產生的微小電壓差異，就可以知道到底是哪一個堿基正在游過納米洞。這樣，就可以達成目的。
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