石墨烯( Graphene) 又称单层石墨片，是一层密集排列在六角型呈蜂巢晶格上的碳原子所构成的薄膜，其不仅是目前世界上已知的最薄材料，还是当前唯一发现的二维自由态原子晶体。

石墨烯中的碳原子以独特的二维结构进行排列，具有许多优异的特质，例如其强度大、导热性与导电性极好，具备超大的比表面积。因而，石墨烯在晶体管、太阳能电池、传感器、超级电容器、场发射和催化剂载体等方面有着良好的应用前景，被学界认为是“改变21 世纪的材料”，并预测“21世纪将是碳的时代”。

石墨烯是目前已知的最薄的一种材料，单层的石墨烯只有一个碳原子的厚度，这种厚度的石墨烯拥有了许多石墨所不具备的特性。

( 1) 导电性极强。石墨烯中的电子没有质量，电子的运动速度超过了在其他金属单体或半导体中的运动速度，能够达到光速的1 /300，正因如此，石墨烯拥有超强的导电性。

( 2) 超高强度及柔韧性。石墨是矿物质中最软的，其莫氏硬度只有1～2 级，但被分离成一个碳原子厚度的石墨烯后，性能则发生突变，其硬度将比莫氏硬度10 级的金刚石还高，却又拥有很好的韧性，它能够拉伸20%而不断裂，还能够制作可弯曲、可折叠、伸缩的柔性显示器件。

( 3) 超大比表面积。由于石墨烯的厚度只有一个碳原子厚，即0．335 nm，所以石墨烯拥有超大的比表面积，理想的单层石墨烯的比表面积能够达到2630 m²/g，而普通的活性炭的比表面积为1500 m² /g，超大的比表面积使得石墨烯成为潜力巨大的储能材料。

目前制备高质量石墨烯的主要方法是化学气相沉积法（CVD法），该方法简单易行，所得石墨烯质量很高，可实现大面积生长，而且较易于转移到各种基体上使用。

CVD法制备石墨烯的原理有以下两种：对于以镍为代表的碳的固溶比较大的金属，在高温下，碳源分解，形成活性碳原子，一部分碳原子会溶进金属之中，形成一种固溶体；当温度下降时，金属对碳的固溶比减小，此时，多余的碳原子就会从金属体内向表面析出；降温速率合适时，在金属的催化作用下，析出的碳原子在金属的表面就会重构形成石墨烯。而Ruoff 等人通过研究，提出了铜表面石墨烯生长的所谓表面催化机制。石墨烯在铜表面的生长更倾向于一种表面催化的过程：高温下，碳源分解所形成的活性碳原子一部分会吸附在铜的表面，在铜的催化作用下，碳原子在一些活性点处以 sp2 杂化形成最初的石墨烯核，后续的碳原子不断的被核的边缘捕获，石墨烯晶粒的尺寸也得以不断变大。当所有裸露的铜表面都被石墨烯所覆盖时，由于没有了铜的催化，活性碳原子也就不能再继续形成石墨烯，整个生长过程也就停止，这也被称为铜表面石墨烯的自限制生长。基于这个原理，当采用铜作为衬底时，相对于镍等衬底来说，更容易得到较大面积的单层石墨烯。

麻省理工学院的J．Kong研究组通过电子束沉积的方法，在硅片表面沉积500nm的多晶Ni膜作为生长基体，利用CH₄为碳源、H₂为载气的CVD法生长石墨烯，生长温度为900℃～1000℃。韩国成均馆大学的B．H．Hong研究组采用类似的CVD法生长石墨烯：生长基体为电子束沉积的300nm的Ni膜，碳源为CH₄，生长温度为1000℃，载气为H₂和Ar的混合气，降温速度为10℃／s。

由于采用Ni膜生长的石墨烯存在晶粒尺寸小、在晶界处存在多层石墨烯、层数难以控制等问题，美国德州大学奥斯汀分校的R．S．Ruoff研究组提出了利用Cu箔生长单层为主的大面积石墨烯。他们采用CH₄为碳源，用25μm厚的铜箔制备出尺寸可达厘米级的石墨烯。与Ni不同，Cu具有较低的溶碳量，石墨烯的生长遵循表面生长机制，所得石墨烯中单层石墨烯的含量达95％以上，其余为双层和三层石墨烯。他们还发现，单层石墨烯具有大的晶粒尺寸，并可以连续地跨过铜箔表面的台阶和晶界，而其中双层和三层石墨烯的尺寸不会随反应时间的延长而增大。韩国成均馆大学的B．H．Hong研究组进一步发展了该方法，他们利用铜箔柔韧可卷曲的特点，将30英寸的铜箔通过卷曲的方式放置到直径为8英寸的CVD反应炉中，结合热释放胶带的连续滚压转移方法制备出30英寸的石墨烯膜，其透光率可达97．4％，非常接近于单层石墨烯的97．7％。目前大部分以Cu为基体生长石墨烯的研究，均采用了低压(50Pa～5kPa)条件，温度900 ℃以上，基体为较高纯度的Cu箔(纯度gt;99％)，载气为还原气体H₂。采用该方法制备石墨烯，由于具有可控性好、铜箔价格低廉及易于转移和规模化制备等优点，有望在透明导电薄膜应用方面首先取得突破。