石墨烯（ Graphene)是由单层碳原子六方紧密堆积而成的理想二维晶体，厚度约为 0.335 nm，具有完美的晶体结构和独特的电学、光学、力学和热学等物理性质，是构建其它维数碳材料的基本单元。
如图所示，石墨烯包裹起来能够形成零维富勒烯，卷曲可形成一维的碳纳米管，而堆积又可形成三维石墨。早在 20 世纪 30 年代，科学家们就提出严格的二维晶体在热力学上是不稳定的，因为在任何有限温度下二维晶体中的热涨落作用会破坏原子的长程有序性，导致二维晶格的分解或聚集。因此，石墨烯能否在室温下稳定存在一直是凝聚态物理和其它相关领域广泛而长久争论的一个研究课题。直到 2004 年， Geim 等才首次通过对石墨的微机械剥离制备出石墨烯，从而开启了石墨烯及其衍生物制备、性质和应用等实验研究的新时代。
低维碳同素异形体：富勒烯（ 0D）,碳纳米管（ 1D）和石墨烯（ 2D）
石墨烯是由六边蜂窝状晶格组成，包括两层相互透入的三角晶格，每个晶格单元中含有两个碳原子（ A 和 B），如图 a。每个格点上的碳原子都有 1 个 s 轨道和3 个 p 轨道，与邻近的原子以 σ 键连接在一起。每个碳原子还有一个 2p 轨道，其中有一个 2p 电子。这些 2p 轨道都垂直于 sp2 杂化轨道的平面，相互平行。而相互平行的 P 轨道满足形成 π 键的条件。石墨烯层中包含有很多碳原子，而所有碳原子都垂直于 sp2 杂化轨道平面，可以形成贯穿全层的多原子的大 π 键。大 π 键中的电子并不定域于两个原子之间，而是非定域的，可以在同一层中运动，为石墨烯提供了一个理想的二维（ 2D）结构。基于完美的二维晶体结构，石墨烯具有优异的电学、光学、力学及热学等性质。
每个晶胞中含两个原子（ A 和 B）的石墨烯的六边蜂窝状晶格（ a）和石墨烯的 3D 能带结构（ b）
早在 1947 年 Walace 就通过理论计算出了石墨烯的能带结构，如图 b 所示。由电子完全占据的价带（ π 态）和由空穴占据的导带（ π*态）在第一布里渊区边界的K 和 K’点相连接，产生新的准粒子。在 K 和 K’点附近的费米面的电子能量 E 与波矢 k 成线性色散关系，与描述无质量狄拉克费米子的狄拉克能谱相似。因此，这些 准粒子被称为零质量狄拉克-费米子(Massless Dirac Fermions)，且更适合用狄拉克方程来描述。
