碳元素(C)是自然界最為神奇的元素。它既是地球上生命體的主要組成成分，又是眾多性能奇特的材料的基本組成元素，例如，己知最為堅硬的物質：金剛石，由碳材料構成；較軟的材料：石墨，也是由碳材料形成的。目前人們己知的在惰性氣氛中高溫力學性能最好的材料是一種碳．碳復合材料，該材料可以承受三千多度的高溫而強度保持不變，在兩千多度的高溫下仍可以使用。
在納米世界，碳元素的表現也同樣驚喜，碳原子按照不同的方式排列，形成差異性巨大的物質，其中人們最熟悉的碳材料是金剛石和石墨這兩個同素異形體，二者均為三維結構。在自然界中廣泛存在的煤炭是碳的另一中存在形式：無定形碳。富勒烯是零維結構的碳材料，它是由正六邊形或者正五邊形組成的封閉的籠狀結構，其中以C60最為人所熟知。碳納米管是一維結構的碳材料，它是由單層的成六邊形排列的石墨的原子同軸纏繞而成或由單層石墨圓筒沿同軸層層套構而成的數層或者數十層的同軸的管狀物。其直徑一般為2-20 nm，長度則遠大于其直徑，層與層間保持固定的距離為0.34 nm。近幾年引起各國研究者極大興趣的石墨烯則是碳材料中具有二維結構的物質。它是世界上最薄也是最堅硬的納米材料。它神奇的二維結構，擁有的獨特性質，在電、光、磁和熱學等方面表現突出。現在，由碳原子構成的具有幾個原子層(通常小于10層)的石墨片層統稱為石墨烯。
石墨“graphite”一詞來源于希臘語“graphein”，而石墨烯“graphene”一詞則由Boehm et al.在1986年提出：后綴“-ene”一般用來表示多環的芳香烴，如anthracene(蒽)，tetracene(并四苯)，coronene(六苯并苯)，ovalene(卵苯)等等。石墨烯的命名來自于石墨(graphite)+烯類的命名后綴(ene)，用來表示碳的單原子層無盡延展的原子尺寸網。1997年IUPAC(國際理論和應用化學聯合會)采納了此建議，從“graphene”用來表示碳的單原子層。現如今，一層或者幾層碳原子層均可稱為石墨烯。
追溯石墨烯的發展歷史，最早的報道出現在1840年，關于氧化石墨(graphite oxide)及石墨層間復合物(graphite intercalation compounds)的研究。德國科學家Schafhaeutl聲稱：石墨的層間靠范德華力結合，此作用力較弱，因此石墨的層間可插入小分子的酸或堿金屬，制得石墨的層間復合物；另外，他們通過硫酸或硝酸作用使石墨的層與層發生結構剝離，但當時研究的熱點集中在石墨的層間復合物：堿金屬、氟化物、過渡金屬(鐵、鎳等等)及一些有機物都曾被引入到石墨的層狀結構中，產生新的結構與性能。1859年，英國化學家Brodie在Schafhaeutl報道的基礎上用強酸及氧化物(KCl03)制備出了氧化石墨：層狀結構更為疏松，且表面負載了官能團，即石墨被氧化了。四十多年后，Staudenmaier在氧化石墨的制備過程中加入氯酸鹽，使得石墨的分層變得更薄。1962年Boehm et al．及其合作者發現通過水合肼、硫化氫及二價鐵鹽對氧化石墨的加熱和化學還原分離可得到厚度為4.6A的碳的薄層。當時的諸多研究
為如今的氧化石墨烯的制備提供了基礎。
2004年，英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·海姆(Andre Geimand)和康斯坦丁·諾沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)，采用微機械剝離法成功地從HOPG中分離出石墨烯，從而證實了石墨烯可以單獨存在。這推翻了科學界的一個長久的錯誤認識一一任何單原子層的二維晶體都不能在有限的溫度下存在。石墨烯這種二維晶體不僅可以在室溫下存在，而且可以穩定地存在于通常的環境中。同時，兩人也因“在二維石墨烯材料的開創性實驗”，共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。從此石墨烯的研究進入了新階段。
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