石墨烯（Graphene）是只有一个碳原子厚度的二维材料。石墨烯一直被认为是假设性的结构，无法单独稳定存在，直至2004年，英国曼彻斯特大学物理学家安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫，成功地在实验中从石墨中分离出石墨烯，而证实它可以单独存在，两人也因“在二维石墨烯材料的开创性实验”为由，共同获得2010年诺贝尔物理学奖。
石墨烯目前是世上最薄却也是最坚硬的纳米材料；几乎是完全透明的，只吸收2.3%的光；目前世上电阻率最小的材料：因为它的电阻率极低，电子跑的速度极快，因此被期待可用来发展出更薄、导电速度更快的新一代电子元件或晶体管；由于石墨烯实质上是一种透明、良好的导体，也适合用来制造透明触控屏幕、光板、甚至是太阳能电池。
石墨烯的化学性质与石墨类似，石墨烯可以吸附并脱附各种原子和分子。当这些原子或分子作为给体或受体时可以改变石墨烯载流子的浓度，而石墨烯本身却可以保持很好的导电性。但当吸附其他物质时，如H 和OH-时，会产生一些衍生物，使石墨烯的导电性变差，但并没有产生新的化合物。因此，可以利用石墨来推测石墨烯的性质。
石墨烷（graphane）来自于石墨烯的加氢，每个碳原子旁引入一个氢原子；石墨烷类似石墨烯，是一种二维的烷烃，其名称也是根据有机化学的命名法则，意为饱和的碳氢化合物。相比与类金属的石墨烯，石墨烷本身是绝缘体，所以控制石墨烯上的加氢状态可以表现出半导体特征，因此在电子器件和晶体管领域有望获得巨大应用。
氧化石墨烯氧化石墨烯具有典型的准二维空间结构，其片层上有大量的羟基和羧基酸性活性基团，其离子交换容量大(比黏土类矿物大得多),长链脂肪烃、过渡金属离子、亲水性分子和聚合物等易于通过层间氢键、离子键和共价键等作用插入层间,形成层间化合物。干燥样品的层间距0.59nm~0.67nm之间,相对湿度45%、75%和100%下达到平衡的GO层间距分别为0.8nm、0.9nm和1.15nm,比公认的原始石墨层Chemicalbook间距0.34nm大,显然有利于插层反应的进行。
氮掺杂石墨烯氮掺杂石墨烯或氮化碳（carbonnitride）：在石墨烯晶格中引入氮原子后变成氮掺杂的石墨烯，生成的氮掺杂石墨烯表现出较纯石墨烯更多优异的性能，呈无序、透明、褶皱的薄纱状，部分薄片层叠在一起，形成多层结构，显示出较高的比电容和良好的循环寿命。
生物相容性羧基离子的植入可使石墨烯材料表面具有活性功能团，从而大幅度提高材料的细胞和生物反应活性。石墨烯呈薄纱状与碳纳米管的管状相比，更适合于生物材料方面的研究。并且石墨烯的边缘与碳纳米管相比，更长，更易于被掺杂以及化学改性，更易于接受功能团。
氧化性可与活泼金属反应，相当于打开部分双键
还原性可在空气中或是被氧化性酸氧化，通过该方法可以将石墨烯裁成小碎片。石墨烯氧化物是通过石墨氧化得到的层状材料，经加热或在水中超声剥离过程很容易形成分离的石墨烯氧化物片层结构。
加成反应利用石墨烯上的双键，可以通过加成反应，加入需要的基团。
稳定性石墨烯的结构非常稳定，碳碳键（carbon-carbon bond）仅为1.42。石墨烯内部的碳原子之间的连接很柔韧，当施加外力于石墨烯时，碳原子面会弯曲变形，使得碳原子不必重新排列来适应外力，从而保持结构稳定。这种稳定的晶格结构使石墨烯具有优秀的导热性。另外，石墨烯中的电子在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于原子间作用力十分强，在常温下，即使周围碳原子发生挤撞，石墨烯内部电子受到的干扰也非常小。同时，石墨烯有芳香性，具有芳烃的性质。
石墨烯目前最有潜力的应用方向，是成为硅的替代品。它能让计算机处理器的运行速度提升数百倍。
作为目前发现的最薄、强度最大、导电导热性能最强的一种新型纳米材料，石墨烯被称为黑金，是新材料之王。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。
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