海姆和诺沃肖洛夫2004年制备出石墨烯，这是目前世界上最薄的材料，仅有一个碳原子厚。与所有其他已知材料不同的是，石墨烯高度稳定，即使被切成1纳米宽的元件，导电性也很好。此外，石墨烯单电子晶体管可在室温下工作。而作为热导体，石墨烯比目前任何其他材料的导热效果都好。这种神奇材料的诞生使安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯具有优异的光学、电学、力学特性，在材料学、微纳加工、能源、生物医学和药物传递等方面具有重要的应用前景，被认为是一种未来革命性的材料。石墨烯是从石墨材料中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。
石墨烯具有完美的二维晶体结构，它的晶格是由六个碳原子围成的六边形，厚度为一个原子层碳原子之间由s键连接，结合方式为sp2杂化，这些s键赋予了石墨烯极其优异的力学性质和结构刚性。其硬度比最好的钢铁强100倍，甚至超过钻石。
学术界将石墨烯称为“黑金”“新材料之王”，一克石墨烯卖到5000元，超过黄金价格的15倍。科学家甚至预言石墨烯将“彻底改变21世纪”，极有可能掀起一场席卷全球的颠覆性新技术新产业革命。
石墨烯具有独特的电子能带结构，以独立碳原子为基，将周围碳原子产生的势作为微扰，可以用矩阵的方法计算出石墨烯的能级分布，可以知道石墨烯中电子的有效质量为零，才表现出该材料独特的电学性质。
石墨烯是一种二维碳材料，是单层石墨烯、双层石墨烯、少层石墨烯和多层石墨烯的统称。
1）单层石墨烯是指由一层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子构成的一种二维碳材料。
2）双层石墨烯是指由两层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括AB堆垛，AA堆垛，AA‘堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
3）少层石墨烯是指由3～10层以苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
4）多层或厚层石墨烯是指厚度在10层以上10nm以下苯环结构（即六角形蜂巢结构）周期性紧密堆积的碳原子以不同堆垛方式（包括ABC堆垛，ABA堆垛等）堆垛构成的一种二维碳材料。
石墨烯是世上已知的最薄的材料，石墨烯几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光，只有0.34纳米厚，十万层石墨烯叠加起来的厚度大概等于一根头发丝的直径，人们用肉眼是看不见它的。
石墨烯是人类已知强度最高的物质，它比钻石还坚硬，强度比世界上最好的钢铁还要高上100倍，它们每100纳米距离上可承受的最大压力竟然达到了2.9微牛左右。这意味着，“如果用石墨烯制成包装袋，那么它将能承受大约两吨重的物品”。
石墨烯是世上电阻率最小的材料，在石墨烯中，电子能够极为高效地迁移，迁移速率仅为光速的三百分之一，远远高出其在硅、铜等传统半导体和导体中的速率。
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