石墨烯是一種由單層碳原子以sp2雜化軌道組成的二維納米材料，其結構可看作是剝離后的單層石墨，或由碳原子以六邊形晶格排列形成的蜂巢狀平面薄膜。每個碳原子通過3個σ鍵與相鄰碳原子連接，形成六邊形晶格，剩余1個p電子形成離域π鍵，覆蓋整個平面，賦予石墨烯優(yōu)異的導電性和導熱性。超薄性：厚度僅約0.335納米（單原子層），是已知最薄的二維材料。高強度：抗拉強度達130 GPa，是鋼的100倍以上，同時保持柔韌性。高導電性：電子遷移率極高（約200,000 cm2/(V·s)），電阻率極低（約10?? Ω·cm），優(yōu)于銅和銀。高導熱性：熱導率可達5000 W/(m·K)，是銅的10倍以上。光學特性：單層石墨烯對可見光的吸收率僅約2.3%，呈現(xiàn)高透明度。

制備方法機械剝離法用膠帶反復剝離高定向熱解石墨（HOPG），獲得單層石墨烯。此方法簡單但產(chǎn)量低，適用于實驗室研究?；瘜W氣相沉積（CVD）法在高溫下將碳源（如甲烷）分解，碳原子在金屬基底（如銅、鎳）上沉積形成石墨烯。可制備大面積、高質(zhì)量薄膜，是工業(yè)化的主流方法。氧化還原法將石墨氧化為氧化石墨烯（GO），再通過化學還原或熱還原去除含氧基團，得到還原氧化石墨烯（rGO）。成本低但可能引入缺陷。外延生長法在單晶硅（SiC）表面高溫分解，碳原子重排形成石墨烯。適用于制備高質(zhì)量、大面積樣品，但設備要求高。

應用領域電子器件晶體管：石墨烯的高電子遷移率使其成為高頻、低功耗晶體管的理想材料，有望替代傳統(tǒng)硅基器件。柔性顯示屏：結合其透明性和柔韌性，可用于可折疊屏幕、觸摸屏等。傳感器：對氣體、分子、壓力等高度敏感，適用于環(huán)境監(jiān)測、生物檢測等。能源存儲超級電容器：高比表面積和導電性提升能量密度和充放電速度。鋰離子電池：作為負極材料或導電添加劑，提高電池容量和循環(huán)壽命。燃料電池：作為催化劑載體或電極材料，增強反應效率。復合材料與聚合物、金屬或陶瓷復合，提升材料的強度、導電性或導熱性，應用于航空航天、汽車等領域。