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图1- 4 石墨烯的电子结构。a，石墨烯的晶体结构；b，石墨烯的能带结构。
1.1.3 石墨烯的独特性能
自2004年[3]第一次制备得到独立的单层石墨烯以来，吸引了众多科学家对石墨烯的研究，石墨烯俨然成了材料界及凝聚态物理界一颗闪耀的新星[4]。石墨烯独特的二文晶体结构，也赋予了它独特的性能，如很高的杨氏模量（约1000 GPa）[12]；高断裂强度（约125 GPa）[12]，可以和具有相似缺陷的碳纳米管相媲美；高的室温热导率[13]，约在（4.84±0.44）×103 W•m-1•K-1~（5.30±0.48）×103 W•m-1•K-1范围内，优于碳纳米管；高比表面积（理论计算值为2630 m2/g）[14]等。
研究发现，石墨烯中表现出双极性电场效应[15]，载流子的迁移速率极高[16~18]，室温及液氦温度下分别能达到15000 cm2•V-1•s-1和60000 cm2•V-1•s-1，预示其能在微米范围上进行弹道输运。石墨烯的独特性能还表现在其独特的量子霍尔效应[16, 19]，与传统半导体的整数量子霍尔效应不同，石墨烯中的电子和空穴表现出不寻常的半整数量子霍尔效应，而且，石墨烯在室温下即能观察到量子霍尔效应[20]。另外，石墨烯的电导率即使在载流子浓度趋于零的情况下也不会消失[16, 21]，而是表现出一个极小值。S. Adam等人[22, 23]认为石墨烯的这种性质可用其中的带电杂质引起的散射来解释，并且和杂质的浓度nimp有关。但是目前为止关于石墨烯中电导率从不消失现象的解释尚无定论。
1.1.4 石墨烯的应用前景
由于石墨烯一系列独特的性能，决定了其广阔的应用前景。石墨烯中的电子，表现出相对论粒子特性，这导致了其独特的电子性能，如：不寻常的量子霍尔效应和安德森局域化的消失，它不仅为凝聚态物理和量子电动力学架起了一座桥梁，同时也为这些理论提供了研究的平台[5, 10]。
尽管石墨烯具有优越的电子特性，但由于优质石墨烯的大量制备问题及微加工技术等问题，基于石墨烯的电子器件在未来20年都不会得到真正的应用。尽管如此，科学家们一直致力于对石墨烯应用的开发研究。
有望最先得到实际应用的应该是将石墨烯用于复合材料的制备。Ruoff课题组通过一种“bottom-up”的化学方法得到了石墨烯在树脂基体中良好分散的聚苯乙烯/石墨烯复合材料，当填充体积分数仅为1 %时即能得到电导率约0.1 S•m-1的导电复合材料[24]；以化学修饰石墨烯（functionalized graphene sheets，简写为FGS）填充树脂时发现，当填充量为1 wt%时，PAN的玻璃化转变温度即能提高40 ℃以上，当填充量仅为0.05 wt%时，PMMA的玻璃化转变温度能提高近30 ℃，同时模量、断裂强度和热稳定性也表现出类似的趋势[25]。Chhowalla在通过将化学修饰石墨烯填充至PS中制备得到的薄膜中观察到了双极性电场效应[26]。
另一有望得到应用的是将石墨烯用作电极制作燃料电池[27, 28]，或用于提高锂离子电池的储电能力[29]。其余对于石墨烯的应用研究还有很多：包括传感器，如：生物传感器[30]、压力传感器[31]、pH传感器[32]、化学传感器[33]，等；液晶器件上的应用[34]；用于机电谐振器[35]，等。
1.2 石墨烯的制备方法
1.2.1 微机械力剥离法
第一片独立的单层石墨烯片[3]就是通过所谓的微机械力剥离法得到的：即使用所谓的“scotch tape”将石墨片从高取向热解石墨（highly oriented pyrolytic graphite，简写为HOPG）上反复剥离下来，后将石墨片转移到Si-SiO2衬底上，得到需要的单层石墨烯。但通过此法得到的不仅仅是单层石墨烯，往往是大量的多层石墨片中夹杂着单层、双层的石墨烯，需要使用光学显微镜结合AFM从中选出单层石墨烯[36]，这将是一个非常庞大的工程，而且此法得到的独立石墨烯尺寸仅约10 μm，只适合进行实验室理论研究，限制了其实际应用。