石墨烯不僅是已知材料中最薄的一種，還非常牢固堅硬；作為單質，它在室溫下傳遞電子的速度比已知導體都快。
石墨烯的碳原子排列與石墨的單原子層雷同，是碳原子以sp2混成軌域呈蜂巢晶格(honeycomb crystal lattice)排列構成的單層二維晶體。石墨烯可想像為由碳原子和其共價鍵所形成的原子尺寸網。石墨烯的命名來自英文的graphite(石墨) + -ene(烯類結尾)。石墨烯被認為是平面多環芳香烴原子晶體。
石墨烯的結構非常穩定，碳碳鍵（carbon-carbon bond）僅為1.42Å。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。另外，石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯內部電子受到的干擾也非常小。
石墨烯是構成下列碳同素異形體的基本單元：石墨，木炭，碳納米管和富勒烯。完美的石墨烯是二維的，它只包括六邊形(等角六邊形); 如果有五邊形和七邊形存在，則會構成石墨烯的缺陷。12個五角形石墨烯會共同形成富勒烯。
石墨烯卷成圓桶形可以用為碳納米管；另外石墨烯還被做成彈道晶體管（ballistic transistor）并且吸引了大批科學家的興趣 。在2006年3月，佐治亞理工學院研究員宣布, 他們成功地制造了石墨烯平面場效應晶體管，并觀測到了量子干涉效應，并基于此結果，研究出以石墨烯為基材的電路.
石墨烯的問世引起了全世界的研究熱潮。它是已知材料中最薄的一種，質料非常牢固堅硬，在室溫狀況，傳遞電子的速度比已知導體都快。石墨烯的原子尺寸結構非常特殊，必須用量子場論才能描繪。
石墨烯是一種二維晶體，最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。人們常見的石墨是由一層層以蜂窩狀有序排列的平面碳原子堆疊而形成的，石墨的層間作用力較弱，很容易互相剝離，形成薄薄的石墨片。當把石墨片剝成單層之后，這種只有一個碳原子厚度的單層就是石墨烯。 [1]發展簡史。第一：石墨烯是迄今為止世界上強度最大的材料，據測算如果用石墨烯制成厚度相當于普通食品塑料包裝袋厚度的薄膜（厚度約100 納米），那么它將能承受大約兩噸重物品的壓力，而不至于斷裂；第二：石墨烯是世界上導電性最好的材料，電子在其中的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。 石墨烯的應用范圍廣闊。根據石墨烯超薄，強度超大的特性，石墨烯可被廣泛應用于各領域，比如超輕防彈衣，超薄超輕型飛機材料等。根據其優異的導電性，使它在微電子領域也具有巨大的應用潛力。石墨烯有可能會成為硅的替代品，制造超微型晶體管，用來生產未來的超級計算機，碳元素更高的電子遷移率可以使未來的計算機獲得更高的速度。另外石墨烯材料還是一種優良的改性劑，在新能源領域如超級電容器、鋰離子電池方面，由于其高傳導性、高比表面積，可適用于作為電極材料助劑 石墨烯出現在實驗室中是在2004年，當時，英國曼徹斯特大學的兩位科學家安德烈·杰姆和克斯特亞·諾沃消洛夫發現他們能用一種非常簡單的方法得到越來越薄的石墨薄片。他們從石墨中剝離出石墨片，然后將薄片的兩面粘在一種特殊的膠帶上，撕開膠帶，就能把石墨片一分為二。不斷地這樣操作，于是薄片越來越薄，最后，他們得到了僅由一層碳原子構成的薄片，這就是石墨烯。這以后，制備石墨烯的新方法層出不窮，經過5年的發展，人們發現，將石墨烯帶入工業化生產的領域已為時不遠了。 因此，兩人在2010年獲得諾貝爾物理學獎。
石墨烯的出現在科學界激起了巨大的波瀾，人們發現，石墨烯具有非同尋常的導電性能、超出鋼鐵數十倍的強度和極好的透光性，它的出現有望在現代電子科技領域引發一輪革命。在石墨烯中，電子能夠極為高效地遷移，而傳統的半導體和導體，例如硅和銅遠沒有石墨烯表現得好。由于電子和原子的碰撞，傳統的半導體和導體用熱的形式釋放了一些能量，目前一般的電腦芯片以這種方式浪費了70%-80%的電能，石墨烯則不同，它的電子能量不會被損耗，這使它具有了非同尋常的優良特性
石墨烯的結構
[sp2雜化碳質材料的基本組成單元]
sp2雜化碳質材料的基本組成單元
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, 是目前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，可以看作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是形成所有sp2雜化碳質材料的基本組成單元。
石墨烯與其他碳元素的區別
[單層石墨烯及其派生物]
單層石墨烯及其派生物
在近20年中，碳元素引起了世界各國研究人員的極大興趣。自富勒烯和碳納米管被科學家發現以后，三維的金剛石、“二維”的石墨、一維的碳納米管、零維的富勒球組成了完整的碳系家族。其中石墨以其特殊的片層結構一直以來是研究的一個熱點。石墨本體并非是真正意義的二維材料，單層石墨碳原子層(Graphene)才是準二維結構的碳材料。石墨可以看成是多層石墨烯片堆垛而成，而前面介紹過的碳納米管可以看作是卷成圓筒狀的石墨烯。當石墨烯的晶格中存在五元環的晶格時，石墨烯片會發生翹曲,富勒球可以便看成通過多個六元環和五元環按照適當順序排列得到的。
石墨烯特性
電子運輸
在發現石墨烯以前，大多數（如果不是所有的話）物理學家認為，熱力學漲落不允許任何二維晶體在有限溫度下存在。所以，它的發現立即震撼了凝聚態物理界。雖然理論和實驗界都認為完美的二維結構無法在非絕對零度穩定存在，但是單層石墨烯在實驗中被制備出來。這些可能歸結于石墨烯在納米級別上的微觀扭曲。
石墨烯還表現出了異常的整數量子霍爾行為。其霍爾電導=2e²/h,6e²/h,10e²/h.... 為量子電導的奇數倍，且可以在室溫下觀測到。這個行為已被科學家解釋為“電子在石墨烯里遵守相對論量子力學，沒有靜質量”。
導電性
石墨烯結構非常穩定，迄今為止，研究者仍未發現石墨烯中有碳原子缺失的情況。石墨烯中各碳原子之間的連接非常柔韌，當施加外部機械力時，碳原子面就彎曲變形，從而使碳原子不必重新排列來適應外力，也就保持了結構穩定。這種穩定的晶格結構使碳原子具有優秀的導電性。石墨烯中的電子在軌道中移動時，不會因晶格缺陷或引入外來原子而發生散射。由于原子間作用力十分強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠撞，石墨烯中電子受到的干擾也非常小。
石墨烯最大的特性是其中電子的運動速度達到了光速的1/300，遠遠超過了電子在一般導體中的運動速度。這使得石墨烯中的電子，或更準確地，應稱為“載荷子”(electric charge carrier)，的性質和相對論性的中微子非常相似。
石墨烯有相當的不透明度：可以吸收大約2.3%的可見光。而這也是石墨烯中載荷子相對論性的體現。
機械特性
石墨烯是人類已知強度最高的物質，比鉆石還堅硬，強度比世界上最好的鋼鐵還要高上100倍。哥倫比亞大學的物理學家對石墨烯的機械特性進行了全面的研究。在試驗過程中，他們選取了一些直徑在10—20微米的石墨烯微粒作為研究對象。研究人員先是將這些石墨烯樣品放在了一個表面被鉆有小孔的晶體薄板上，這些孔的直徑在1—1.5微米之間。之后，他們用金剛石制成的探針對這些放置在小孔上的石墨烯施加壓力，以測試它們的承受能力。
研究人員發現，在石墨烯樣品微粒開始碎裂前，它們每100納米距離上可承受的最大壓力居然達到了大約2.9微牛。據科學家們測算，這一結果相當于要施加55牛頓的壓力才能使1米長的石墨烯斷裂。如果物理學家們能制取出厚度相當于普通食品塑料包裝袋的（厚度約100納米）石墨烯，那么需要施加差不多兩萬牛的壓力才能將其扯斷。換句話說，如果用石墨烯制成包裝袋，那么它將能承受大約兩噸重的物品。
電子的相互作用
利用世界上最強大的人造輻射源，美國加州大學、哥倫比亞大學和勞倫斯·伯克利國家實驗室的物理學家發現了石墨烯特性新秘密：石墨烯中電子間以及電子與蜂窩狀柵格間均存在著強烈的相互作用。
科學家借助了美國勞倫斯伯克利國家實驗室的“先進光源（ALS）”電子同步加速器。這個加速器產生的光輻射亮度相當于醫學上X射線強度的1億倍。科學家利用這一強光源觀測發現，石墨烯中的電子不僅與蜂巢晶格之間相互作用強烈，而且電子和電子之間也有很強的相互作用。
化學性質
我們至今關于石墨烯化學知道的是：類似石墨表面，石墨烯可以吸附和脫附各種原子和分子。從表面化學的角度來看，石墨烯的性質類似于石墨，可利用石墨來推測石墨烯的性質。石墨烯化學可能有許多潛在的應用，然而要石墨烯的化學性質得到廣泛關注有一個不得不克服的障礙：缺乏適用于傳統化學方法的樣品。這一點未得到解決，研究石墨烯化學將面臨重重困難。