石墨烯（Graphene）是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢晶格的二維碳納米材料。石墨烯具有優異的光學、電學、力學特性，在材料學、微納加工、能源、生物醫學和藥物傳遞等方面具有重要的應用前景，被認為是一種未來革命性的材料。 英國曼徹斯特大學物理學家安德烈·蓋姆和康斯坦丁·諾沃肖洛夫，用微機械剝離法成功從石墨中分離出石墨烯，因此共同獲得2010年諾貝爾物理學獎。石墨烯常見的粉體生產的方法為機械剝離法、氧化還原法、SiC外延生長法，薄膜生產方法為化學氣相沉積法（CVD）。

石墨烯的結構

石墨烯是由碳六元環組成的兩維（2D）周期蜂窩狀點陣結構，它可以翹曲成零維（0D）的富勒烯（fullerene），卷成一維（1D）的碳納米管（carbon nano-tube，CNT）或者堆垛成三維（3D）的石墨（graphite），因此石墨烯是構成其他石墨材料的基本單元。石墨烯的基本結構單元為有機材料中最穩定的苯六元環，是最理想的二維納米材料。

理想的石墨烯結構是平面六邊形點陣，可以看做是一層被剝離的石墨分子，每個碳原子均為sp2雜化，并貢獻剩余一個p軌道上的電子形成大π鍵，π電子可以自由移動，賦予石墨烯良好的導電性。二維石墨烯結構可以看做是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元。

石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42?。石墨烯內部的碳原子之間的連接很柔韌，當施加外力于石墨烯時，碳原子面會彎曲變形，使得碳原子不必重新排列來適應外力，從而保持結構穩定。這種穩定的晶格結構使石墨烯具有優秀的導熱性。

科學家首次拍到單個分子的清晰照片，同時可看見把分子結構緊密連在一起的原子鍵。美國國際商用機器公司（IBM）設在瑞士蘇黎世的研究實驗室用一種名為“非接觸式原子力顯微術”的技術探索一個分子的內部情況，把分子和原子的研究推向最小。這項研究可能對石墨烯設備的研究具有重要意義。

石墨烯的能帶結構

當絕對零度下，半導體的價帶是滿帶（完全被電子占據）。當受光電或熱激發后價帶中的部分電子（石墨烯的電子運動速度高達105m/s，是光速的1/300）越過禁帶進入能量較高的空帶，空帶中存在電子后成為導帶，價帶中缺少一個電子后形成一個帶正電的空位，成為空穴。導帶中的電子和價帶中的空穴合稱為電子-空穴對，則電子，空穴能自由移動成為自由載流子。它們在外電場作用下產生定向運動形成宏觀電流，分別成為電子導電和空穴導電

石墨烯的每一單位晶格有2個碳原子，導致其在每個布里淵區有兩個等價錐形相交點（和K′）點，再相交點附近其能量于波矢量成線性關系。

石墨烯的電子能帶結構圖

E：能量，h：約化普朗克常數，UF：費米速度，1*10^6m/s，Kx，Ky分別是波矢量再X-和Y-軸的分量。因此，使得石墨烯中的電子和空穴的有效質量均為零，所有電子，空穴被稱為狄拉克費米子。相交點為秋拉克點，在其附近能量為零，古石墨烯的帶隙（禁帶）為零。石墨烯獨特的載流子特性和無質量的狄拉克費米子屬性使其能夠在室溫下觀測到霍爾效應和異常的半整數量子霍爾效應（當電流垂直于外磁場通過導體時，在導體的垂直于磁場和電流方向的兩個端面會出現電勢差）。表明了其獨特的載流子特性和優良的電學性質石墨烯的室溫載流子遷移率實測值達15000cm^2/·s（電子密度10^13cm^2）。

石墨烯的晶格結構

石墨烯的晶格結構非常穩定，電子在軌道中移動所受到的干擾非常小，具有優秀的導電性能。這種結構導致石墨烯獨特的電子能帶結構，第一布里淵區的六個頂點為費米點（也稱為狄拉克點或K點），導帶和價帶關于狄拉克點對稱，因此在純凈的石墨烯中，電子和空穴具有相同的性質。即在狄拉克點附近，電子的能量與波矢成線性的色散關系，E=VFP=VFhk。

其中，VF為費米速度，大約為光速的1/300，k為波矢。因此，K點附近電子由于受到周圍對稱晶格勢場的作用，載流子的有效靜質量為0，費米速度接近于光速，呈現相對論的特性。所以K點附近的電子性質應該用狄拉克方程（Dirac）進行描述，而不是用薛定諤方程（Schrodinger）進行描繪。石墨烯的載流子的遷移率超過200，000cm2*V-1*s-1，純凈的石墨烯中電子的平均自由程達亞微米量級，近似為彈道運輸，這在制造高速器件上有著誘人的潛力。