自从1985年富勒烯和1991年碳纳米管的发现开始，有关炭材料的研究引起了世界各国研究人员的极大兴趣。三维(金刚石，石墨)，一维(碳纳米管)，零维(富勒烯)炭的同素异形体都已被发现。但是真正意义上的二维同素异形体石墨烯的研究却一直处于理论探索阶段。虽然早在1991年科学家就意识到碳纳米管可以通过二维的石墨烯卷曲形成，但是直到2004年曼彻斯特大学Geim所在小组利用胶带微机械剥离高定向热解石墨得到独立存在的石墨烯为止，其合成仍被认为是无法实现的。
图1 各种维度炭材料结构示意目
石墨烯是由二维蜂窝状晶格紧密堆积组成的扁平单层碳原子组成。被认为是其他各维炭材料的基本组成单位。石墨烯可以包覆成零维的富勒烯，卷曲成一维的纳米管或者堆垛成三维的石墨。理论上，石墨烯已经拥有60年的研究历史，被广泛用于描述各类炭基材料的性质。早期研究表明石墨烯可以作为(2+1)维量子电气力学性能的凝聚态物质的一种理论模型。另一方面，虽然作为三维材料整体中的一部分，石墨烯一直被认为无法作为自由态所存在，被视作为一种理论材料，作为富勒烯的原子球壳和纳米管卷曲结构的基本单元。2004年独立存在的石墨烯在实验中偶然发现时，这种古老的理论模型终于得到实体验证。随后的实验确认了石墨烯电荷载体是无质量的狄拉克费米子。因此，石墨烯的研究开始兴起。随后，石墨烯的本征结构性能的基础研究以及在复合材料，电子器件，传感嚣，锂离子电池负极材料，光电转换材料，超级电容器领域的应用研究逐渐兴起。
图2 石墨烯与其他炭材料黄系的示意图
单层石墨烯是单原子层紧密堆积的二维晶体结构，其中碳原子以六元环形式周期性排列于石墨烯平面内。每个碳原子通过。键与临近的三个碳原子相连，S，Px和Py三个杂化轨道形成强的麸价键台，组成sp2杂化结构，具有120°的键角，赋予石墨烯极高的力学性能。剩余的Pz轨道的π电子在与平面垂直的方向形成π轨道，此π电子可以在石墨烯晶体平面内自由移动，从而使得石墨烯具有良好的导电性。
但是，众所周知，二维晶体在热学上不稳定，发散的热学波动起伏破坏了长程有序结构，并且导致石墨烯在较低温度下即发生晶体结构的融解。透射电镜观察及电子衍射分析也表明单层石墨烯并不是完全平整的，而是呈现出本征的微
观的不平整．在平面方向发生角度弯曲。扫描隧道显微镜观察表明纳米级别的裙皱出现在单层石墨烯表面及边缘。这种摺皱起伏表现在垂直方向发生±0.5nm的变化，而在侧边的变化超过10nm。这种三维方向的起伏变化可以导致静电的产生。从而使得石墨烯在宏观易于聚集，很难以单片层存在。
