2004年，英国曼彻斯特大学的科学家A.盖姆等通过采用胶带反复剥离的方法，首次得到了稳定存在的单层石墨烯。由于其每个碳原子上都有一个垂直于层面的p_z轨道，为形成贯穿全层的多原子大π键提供了可能。石墨烯存在于自然界，只是难以剥离出单层结构。由于石墨烯本身结构会发生π-π堆积，利用疏水-疏水作用使其趋于堆积成自组装体，呈现出化学惰性。所以石墨烯的许多优良性能只能在其以单层的二维结构时才可以展现。

石墨烯具有良好的电学性能、光学性能和力学性能。①电学性能，石墨烯能够形成大π键，π电子在晶体中可以自由移动，并且在轨道中移动时，不会因晶格缺陷或引入外来原子而发生散射。由于石墨烯具有局域超强导电性以及很高的载流子迁移率，在室温条件下可以观察到石墨烯的量子霍尔效应。②光学性能，石墨烯具有特殊的能带结构，其布里渊区中心点导带价带的π电子态具有20电子伏特的能量差，费米能级位于狄拉克点处。石墨烯在较宽波长范围内吸收率约为2.3%，看上去几乎是透明的。在多层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加2.3%。大面积的石墨烯薄膜具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。③力学性能，石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有强的韧性，且可以弯曲，其固有的拉伸强度为130吉帕，是钢的100倍，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。

21世纪初，石墨烯的制备方法整体上分为“自下而上”和“自上而下”两类。“自上而下”是从石墨出发（又称石墨途径），通过物理手段（如机械力、超声波、热应力等）破坏石墨层与层之间的范德瓦耳斯力制备石墨烯的方法，主要包括机械剥离法、液相剥离法和热膨胀法。“自下而上”是从含碳的化合物出发（又称碳原子途径），通过等离子轰击等手段破坏含碳化合物的化学键，在基底上生长石墨烯的方法，主要有化学气相沉积、碳化硅晶体外延生长法。

石墨烯常被用于制作各种柔性电子器件和功能复合材料、新能源电池如锂电子电池技术中和应用于电传感器。