石墨烯（ Graphene)是由單層碳原子六方緊密堆積而成的理想二維晶體，厚度約為 0.335 nm，具有完美的晶體結構和獨特的電學、光學、力學和熱學等物理性質，是構建其它維數碳材料的基本單元。
如圖所示，石墨烯包裹起來能夠形成零維富勒烯，卷曲可形成一維的碳納米管，而堆積又可形成三維石墨。早在 20 世紀 30 年代，科學家們就提出嚴格的二維晶體在熱力學上是不穩定的，因為在任何有限溫度下二維晶體中的熱漲落作用會破壞原子的長程有序性，導致二維晶格的分解或聚集。因此，石墨烯能否在室溫下穩定存在一直是凝聚態物理和其它相關領域廣泛而長久爭論的一個研究課題。直到 2004 年， Geim 等才首次通過對石墨的微機械剝離制備出石墨烯，從而開啟了石墨烯及其衍生物制備、性質和應用等實驗研究的新時代。
? 低維碳同素異形體：富勒烯（ 0D）,碳納米管（ 1D）和石墨烯（ 2D）
石墨烯是由六邊蜂窩狀晶格組成，包括兩層相互透入的三角晶格，每個晶格單元中含有兩個碳原子（ A 和 B），如圖 a。每個格點上的碳原子都有 1 個 s 軌道和3 個 p 軌道，與鄰近的原子以 σ 鍵連接在一起。每個碳原子還有一個 2p 軌道，其中有一個 2p 電子。這些 2p 軌道都垂直于 sp2 雜化軌道的平面，相互平行。而相互平行的 P 軌道滿足形成 π 鍵的條件。石墨烯層中包含有很多碳原子，而所有碳原子都垂直于 sp2 雜化軌道平面，可以形成貫穿全層的多原子的大 π 鍵。大 π 鍵中的電子并不定域于兩個原子之間，而是非定域的，可以在同一層中運動，為石墨烯提供了一個理想的二維（ 2D）結構?；谕昝赖亩S晶體結構，石墨烯具有優異的電學、光學、力學及熱學等性質。
? 每個晶胞中含兩個原子（ A 和 B）的石墨烯的六邊蜂窩狀晶格（ a）和石墨烯的 3D 能帶結構（ b）
早在 1947 年 Walace 就通過理論計算出了石墨烯的能帶結構，如圖 b 所示。由電子完全占據的價帶（ π 態）和由空穴占據的導帶（ π*態）在第一布里淵區邊界的K 和 K’點相連接，產生新的準粒子。在 K 和 K’點附近的費米面的電子能量 E 與波矢 k 成線性色散關系，與描述無質量狄拉克費米子的狄拉克能譜相似。因此，這些 準粒子被稱為零質量狄拉克-費米子(Massless Dirac Fermions)，且更適合用狄拉克方程來描述。
?
?
