自 2004 年第一次制備得到獨立的單層石墨烯以來，眾多科學家展開了對石墨烯的研究，石墨烯已經成為材料及凝聚態物理領域一顆閃耀的新星。石墨烯以其非凡的性質在多個領域都展現出廣闊的應用前景。
（ 1）納電子器件方面
2005 年， Geim 研究組 J 與 Kim 研究組 H 發現，室溫下石墨烯具有 10 倍于商用硅片的高載流子遷移率(約 10 cm /V·s)，并且受溫度和摻雜效應的影響很小，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300 K 下可達 0.3 m)，這是石墨烯作為納電子器件最突出的優勢，使電子工程領域極具吸引力的室溫彈道場效應管成為可能。較大的費米速度和低接觸電阻則有助于進一步減小器件開關時間，超高頻率的操作響應特性是石墨烯基電子器件的另一顯著優勢。此外， 石墨烯減小到納米尺度甚至單個苯環同樣保持很好的穩定性和電學性能，使探索單電子器件成為可能。
（ 2）代替硅生產超級計算機
石墨烯是目前已知導電性能最出色的材料。石墨烯的這種特性尤其適合于高頻電路。高頻電路是現代電子工業的領頭羊，由于工程師們正在設法將越來越多的信息填充在信號中，它們被要求使用越來越高的頻率，電路中的工作頻率越高， 熱量也越高，于是，高頻的提升便受到很大的限制。由于石墨烯的出現， 高頻提升的發展前景似乎變得無限廣闊了。這使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。研究人員甚至將石墨烯看作是硅的替代品，能用來生產未來的超級計算機。
（3）太陽能電池
2010 年，清華大學的研究人員首次將石墨烯覆蓋在傳統的單晶硅材料上，研究發現其具有優異的光電轉換性能。這樣一個簡易的太陽能電池模型，經過優化提升后光電轉換效率可以達到 10% 以上。石墨烯-硅模型還可以進一步拓展為石墨烯與其它半導體材料的結構。這種可以將石墨烯與傳統材料結合的模型， 對石墨烯的實際應用具有重要的推動作用。
（ 4）光子傳感器
石墨烯還可以以光子傳感器的面貌出現在更大的市場上，這種傳感器是用于檢測光纖中攜帶的信息的，這個角色一直由硅擔當，但硅的時代似乎就要結束。 2012 年 10 月， IBM的一個研究小組首次披露了他們研制的石墨烯光電探測器，接下來人們要期待的就是基于石墨烯的太陽能電池和液晶顯示屏了。因為石墨烯是透明的，用它制造的電板比其它材料具有更優良的透光性。
（ 5）基因電子測序
由于導電的石墨烯的厚度小于 DNA 鏈中相鄰堿基之間的距離以及 DNA 四種堿基之間存在電子指紋，因此，石墨烯有望實現直接的，快速的，低成本的基因電子測序技術。
其它應用，石墨烯還可以應用于晶體管、觸摸屏等領域，同時有望幫助物理學家在量子物理學研究領域取得新突破。中國科研人員發現細菌的細胞在石墨烯上無法生長，而人類細胞卻不會受損。利用這一特點石墨烯可以用來做繃帶，食品包裝甚至抗菌 T 恤；用石墨烯做的光電化學電池可以取代基于金屬的有機發光二極管，因石墨烯還可以取代燈具上的傳統金屬石墨電極，使之更易于回收。石墨烯不僅可以用來開發制造出紙片般薄的超輕型飛機材料、制造出超堅韌的防彈衣，甚至能讓科學家夢寐以求的 2.3 萬英里長太空電梯成為現實。 圖 1 總結了石墨烯作為功能性材料和結構性材料從 1 nm 至 10000 Km 空間尺度內的主要應用。
圖 1石墨烯的主要應用領域
