“石墨烯的特性 - 透明度、密度、导电性、导热性、弹性、柔韧性、硬度和与其他物质发生化学反应的能力 - 具有引发比十九世纪的电力和二十世纪九十年代互联网更宏伟的技术革命的潜力。” - LarrainVial

简单来说，石墨烯可认为是石墨矿物的原子单层；石墨基本上由数十万层石墨烯组成。 在实际中，石墨和石墨烯的结构组成以及相互之间的转换制备方法略有不同。

石墨

回忆上学的时候，你很可能会想到“铅笔铅芯”，即能够在纸和其他材料上产生痕迹的铅笔的笔芯。 铅芯在首次被发现时，因其是碳的一种形式并且包含与组成碳族元素其他成员相似的分子同时由于视觉的相似性，被命名为铅芯，被认为是铅的一种形式。而事实上，它并不是重金属化学元素铅，而通常由石墨与粘土混合制成。

石墨是一种变质岩的矿物，天然存在于世界各大陆包括亚洲、南美洲和北美部分地区，由碳质沉积物受到区域变质作用形成。 与一般常识相反，石墨中的化学键实际上比构成金刚石的化学键更牢固。 实际上决定两种化合物硬度差异的是碳原子的晶格结构；金刚石含有三维晶格键，而石墨含有二维晶格键（碳膜层）。 尽管在石墨每个碳层内，碳原子含有非常牢固的键，但这些层能够相互滑动，从而使石墨成为更柔软、更有延展性的材料。

数百年来的广泛研究证明，石墨是一种令人印象深刻的矿物，显示出许多卓越的特性，包括良好的导电和导热能力，在超过3600摄氏度的温度下仍具有最高的天然刚度和强度，同时还耐化学腐蚀并能自动润滑。 虽在一千多年前已被发现，并在1789年被首次命名，而工业界经过相当长的时间才认识到这种材料的全部潜力。

石墨是仅有的三种天然存在的碳同素异形体之一（另外两种是非晶体碳和金刚石）。 这三种天然存在的同素异形体之间的差异在于碳原子的结构和结合；金刚石具有金刚石晶格晶体结构，石墨具有蜂窝晶格结构，而非晶体碳（如煤或烟灰）则不具有晶体结构。

虽然有许多不同形式的碳，但石墨具有极高的品质，在通常条件下是最稳定的。 它通常应用于热化学，用作标准状态来定义碳化合物的形成热。 石墨天然存在三种不同的形式：结晶鳞片、非晶体以及块状或脉状石墨，根据其形式用于不同的应用。

如前文所述，石墨具有平坦分层结构；每层均由六角形晶格连接在一起的碳原子组成。 这些连接为共价键，非常强大，相邻原子间距仅为0.142纳米。 碳原子通过非常稳定的sp2杂化成键于二维单层原子，层与层之间的间距为0.335纳米。 因此，结晶鳞片石墨由数十万个碳原子层堆叠而成。

石墨烯

因此，石墨烯本质就是单层石墨；一层以蜂窝（六边形）晶格排列的sp2杂化键合的碳原子层。 然而，由于与“母材”分离，石墨烯具有某些超过石墨的更令人印象深刻的性质。 石墨是一种非常脆的化合物，通常无法单独用作结构材料（尽管被常用于强化钢材）。而石墨烯是有史以来最坚硬的材料，硬度达到130千兆帕斯卡，是A36结构钢的三百多倍，金刚石的四十多倍。

由于石墨的平面结构，它的热学、声学和电子特性高度各向异性，意味着声子沿平面传输比穿过平面传输更容易。在石墨烯单原子层内，每个碳原子都包含游离的离域π电子，因而具有非常高的电子迁移率，能够提供极佳的电子传导性。

为了实现这种高水平的电子导电性，通常进行掺杂（利用电子或空穴）以改变石墨烯狄拉克点的零状态密度。 石墨烯高电导率可以利用准粒子行为解释：电子像光子一样，似乎没有质量，可以行进较长距离的传输而不发生散射（这些电子也因此被称为无质量的狄拉克费米子）。

制备或分离石墨烯

生产石墨烯的方法有多种。 制备单层和几层石墨烯的第一个成功方法是机械剥离（胶带技术）。 目前，世界各地许多研究机构正在努力寻找能够大规模生产高品质石墨烯的最佳、最有效和最高效的方法，同时兼具成本效益和规模的可扩展性。

制备单层或几层石墨烯的最常见的方法是化学气相沉积（CVD）的方法。 这是一种从富碳源中提取再还原碳原子的方法。 该方法的主要难点在于找到最适合生长石墨烯层的基底，并能简单有效从基底分离石墨烯而不损害或改变石墨烯的原子结构。

其他制备石墨烯的方法有：固体碳源（热能工程）转化、超声处理、切割开放式碳纳米管、二氧化碳还原以及氧化石墨还原法等。 其中，最后一种利用热能（比如通过原子力显微镜或激光）将氧化石墨还原为石墨烯，由于其生产成本最低而广为人知。 然而，转化的石墨烯的质量目前还达不到理论上的潜力，因此将不可避免地需要一些时间来完善。