石墨烯是由一層碳原子構成的二維碳納米材料。根據嚴格意義上的二維原子晶體理論，熱力學上嚴格和獨立的二維原子晶體是不穩定的，但是準二維（quaitwo dimension）原子晶體材料，即具有褶皺的或附著在其他基底上的二維材料是可以存在的。2004年Geim等獲得的石墨烯就屬于上述準二維原子晶體材料。  石墨烯(graphene)這個術語早在2004年之前就已被使用。1986年，Boehm等首先給出了“graphene”的定義：“The term graphene layer should be used for such a single carbon layer”。

1997年，IUPAC明確定義“graphene”：“The term graphene should be used only when the reactions，structural relations or other properties of individual layers are discussed”。

目前，中文相應的定義還有待明確和標準化。  20世紀60—70年代，有關石墨烯的研究主要分3個方面：①理論研究；②關于石墨插層（graphite intercalation compound）和石墨氧化物(graphite oxide)在化學和材料方面的研究；③利用顯微鏡電鏡等對碳薄膜材料的研究。80—90年代由于富勒烯和碳納米管的發現，人們開始對各種潛在的碳同素異形體進行大規模的探索。這期間，人們獲得了數納米厚的（幾十層）的石墨片（nanoflake）。

嚴格意義上的石墨烯，即單原子厚度的石墨烯的發現應歸功于Geim團隊在2004年利用極其簡單的taping方法獲得的成果。他們不僅獲得了近乎完美的石墨烯，更重要的是他們觀察到了石墨烯這一系列前所未有的電學性質。石墨烯優良性質的發現掀起了科學家繼富勒烯和碳納米管之后對碳同素異形體材料探索研究的第三次浪潮。 

石墨烯的基本結構和性質  石墨烯的原子排列與石墨的單原子層相同，是碳原子sp2雜化軌道按蜂巢晶格排列構成的單層二維晶體。石墨烯可想象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（烴類詞尾），因此，石墨烯被認為是平面多環芳香烴原子晶體。 

石墨烯是由sp2碳原子以蜂巢晶格構成的二維單原子層結構。每個碳原子周圍有3個碳原子成鍵，C—C鍵長1.42?，鍵角120°；每個碳原子以3個sp2雜化軌道和鄰近的3個碳原子形成3個σ鍵，剩下的1個p軌道和鄰近的其他碳原子一起形成共軛體系，每個碳原子貢獻1個P電子。因此，石墨烯的C—C骨架由σ鍵參與構成，在這個骨架的上下分布有成對的電子云，這種成鍵形式和苯環的成鍵模式完全一樣，因此石墨烯也可看成是一個巨大的稠環芳烴，這一認識對理解石墨烯的特殊性質和材料性能十分重要。

值得注意的是，雖然石墨烯是其他碳的同素異形體的基本構成單元，但和富勒烯及碳納米管的成鍵方式仍有重要不同。在石墨烯以及石墨中，每個C—C鍵角都小于120°，C—C鍵存在一定的張力，因此富勒烯和碳納米管中碳原子的化學活性要大于石墨烯中的碳原子。  石墨烯的特殊結構決定了其獨特的性質。從分子層面上考慮，石墨烯中碳原子的許多性質和苯環上的碳原子有類似之處，然而由于石墨烯由無數個六元環構成，并且其邊緣氫原子對分子貢獻遠小于苯環，因此其許多性質又有所不同；從宏觀層面看，石墨烯就是單層石墨，它的邊緣性質和石墨有一定程度上的類似。因此，石墨烯同時具有部分稠環芳烴和石墨的化學性質。

石墨烯碳骨架周圍豐富的電子云導致其很容易進行π-π堆積，形成多層的石墨結構，石墨烯眾多優良的物理性質是從這一特殊結構獲得的。