石墨烯（graphene）是单层碳原子以 sp² 杂化形成的二维蜂窝状晶格，厚度 0.335 nm，可看作“单原子厚的石墨”。自 2004 年曼彻斯特大学 Geim & Novoselov 用胶带剥离法首次得到可测量样品以来，它已成为研究最多、应用推进最快的纳米材料之一。石墨烯把“超薄、超强、高导电导热”集于一身，已在柔性电子、复合增强、导电添加剂和散热膜等领域率先落地；但要真正取代硅做逻辑、或成为室温超导，还需解决带隙工程、可控堆叠与低成本制造等核心难题。
结构
‑ 每个 C 与 3 个相邻 C 形成 σ 键，剩余 1 个 pz 电子构成离域 π 体系 → 半金属（零带隙）。
‑ 层间靠范德华力堆叠，层间距 0.335 nm；单层即可稳定存在，也可卷成碳纳米管、叠成双层/少层石墨烯。
基本性能（实验值）
‑ 机械：杨氏模量 ≈ 1 TPa，断裂强度 130 ± 10 GPa（比钢高 200 倍），拉伸应变 20–25 %。
‑ 电学：载流子迁移率 2–3 × 10⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹（悬浮、低温），室温仍达 1–1.5 × 10⁵ cm² V⁻¹ s⁻¹；电流密度容忍 >10⁸ A cm⁻²。
‑ 热学：面内热导 3–5 × 10³ W m⁻¹ K⁻¹，为铜的 10 倍。
‑ 光学：单层吸收 2.3 %，可见光透过率 97.7 %；非线性饱和吸收系数低，可用于超快激光锁模。
‑ 化学：比表面积理论 2630 m² g⁻¹；可功能化打开带隙或增强分散。
制备路线（已可吨级）
‑ 微机械剥离：科研级高质量，尺寸小。
‑ 化学气相沉积（CVD）：铜、镍箔上生长，可做到 30 英寸连续薄膜，柔性电子、触摸屏用。
‑ 液相剥离（超声+溶剂/表面活性剂）与氧化-还原法（Hummers 法→GO→rGO）：成本低、可浆料化，适合复合材料、储能。
‑ 碳化硅外延、分子束外延：高电子器件需求，但尺寸受限。
应用进展（已商业化或接近）
‑ 复合增强：0.1–1 wt% 加进塑料、橡胶、铝/铜基体，提高强度、导热、抗磨；钓鱼线、滑雪板、自行车轮圈已上市。
‑ 导电油墨与柔性透明电极：替代 ITO 做触控、OLED 面板、电子纸；华为/三星已有样机。
‑ 锂电池导电添加剂：1–2 wt% 替代炭黑，降低内阻、提升快充/低温性能，国内多家动力电池厂 2022 年起批量使用。
‑ 超级电容与锂硫宿主：rGO 三维网络提供高比电容（300–400 F g⁻¹）或抑制多硫化物穿梭。
‑ 散热膜：CVD 石墨烯转移到手机背板、基站 PA，实测可使热点温度降低 5–10 °C；华为 Mate 系列 2019 起量产。
‑ 防腐涂层：石墨烯-环氧底漆耐盐雾 >4000 h，已用于海上风电、船舶、桥梁。
‑ 生物/传感：场效应生化传感器检测限低至 pg mL⁻¹；新冠抗原试纸条加石墨烯氧化物提高信号 10 倍。
‑ 高频晶体管：石墨烯-氮化镓异质结，fT ≈ 300 GHz，用于超宽带低噪声放大器（军用雷达、卫星通信）。
仍待突破的瓶颈
‑ 零带隙：逻辑开关比仅 10–100，需通过纳米带、双分子层扭转、衬底诱导或化学掺杂打开 ≥0.3 eV 带隙，同时保持高迁移率。
‑ 大面积转移缺陷：CVD 法铜蚀刻、水洗易引入裂纹、褶皱，导致面电阻上升；直接生长介电衬底是攻关方向。
‑ 健康与环境风险：微米级薄片可刺穿细胞膜，需建立暴露限值与回收标准。
‑ 成本：高质量铜基 CVD 薄膜约 30–50 ¥ m⁻²，仍高于 ITO；液相剥离 rGO 低至 100 ¥ kg⁻¹，但缺陷多。
前沿方向（2023–2025）
‑ 双层/多层扭转“魔角”超导-关联绝缘体（twistronics）。
‑ 石墨烯-氮化硼-过渡金属硫化物异质结，实现室温激子激光、谷电子学器件。
‑ 三维打印：石墨烯含量 60 wt% 的水凝胶/树脂，打印微型超级电容、柔性传感器。
‑ 量子输运：利用超高迁移率平台研究分数量子霍尔态、拓扑量子比特。