石墨烯（/?ɡr?fi?n/）是一種碳的同位素，由單層原子排列的二維蜂巢晶格納米結構構成。這個名字來自于石墨和后綴-ene，反映了石墨的碳同位素包含許多雙鍵的事實。

石墨烯薄片中的每個原子都通過一個強大的σ鍵與它的三個最近的鄰居相連，并為延伸到薄片上的價帶提供一個電子。這與碳納米管和多環芳烴，以及（部分）富勒烯和玻璃碳中發現的相同類型的結合。價帶被傳導帶觸及，使石墨烯成為一種半金屬，具有不尋常的電子特性，這些特性xxx由無質量相對論粒子的理論來描述。石墨烯中的電荷載流子在能量和動量之間呈現線性關系，而不是二次關系，用石墨烯制成的場效應晶體管可以呈現雙極傳導。電荷傳輸是長程彈道的；該材料表現出大的量子振蕩和大的非線性二元磁力。石墨烯沿其平面非常有效地導熱和導電。這種材料強烈吸收所有可見波長的光，這就是石墨呈黑色的原因；然而，由于其極薄，單片石墨烯幾乎是透明的。這種材料比相同厚度的最堅固的鋼鐵強約100倍。

幾十年來，科學家們一直在推測石墨烯的潛在存在和生產。幾個世紀以來，通過使用鉛筆和其他類似的石墨應用，它可能已經在不知不覺中被少量生產。1962年，它可能已經在電子顯微鏡中被觀察到，但只有在支持在金屬表面時才被研究。

2004年，這種材料被安德烈-蓋姆和康斯坦丁-諾沃塞洛夫在曼徹斯特大學重新發現、分離和研究。2010年，蓋姆和諾沃塞洛夫因其對二維材料石墨烯的突破性實驗而被授予諾貝爾物理學獎。事實證明，高質量的石墨烯令人驚訝地易于分離。

石墨烯已經成為一種有價值和有用的納米材料，因為它具有極高的抗拉強度、導電性、透明度，而且是世界上最薄的二維材料。2012年，石墨烯的全球市場為900萬美元，大部分需求來自半導體、電子、電動電池和復合材料的研究和開發。

國際純粹與應用化學聯合會（IUPAC）推薦用石墨這一名稱來表示三維材料，而石墨烯只在討論單個層的反應、結構關系或其他特性時使用。狹義的定義，即孤立的或獨立的石墨烯，要求該層與環境充分隔離，但也包括懸浮或轉移到二氧化硅或碳化硅的層。

1859年，Benjamin Brodie注意到熱還原氧化石墨的高度片狀結構。1916年，Peter Debye和Paul Scherrer通過粉末X射線衍射確定了石墨的結構。1918年，V. Kohlschütter和P. Haenni更詳細地研究了該結構，他們還描述了氧化石墨紙的特性。1924年，通過單晶衍射確定了其結構。

1947年，P.R.華萊士首次探討了石墨烯的理論，作為理解三維石墨電子特性的起點。1984年，戈登-沃爾特-塞梅諾夫以及大衛-P-迪文森佐和尤金-J-梅勒分別首次指出了出現的無質量狄拉克方程。塞梅諾夫強調，在磁場中出現的電子朗道級正好位于狄拉克點。

由幾個石墨層組成的薄石墨樣品的透射電子顯微鏡（TEM）圖像由G. Ruess和F. Vogt在1948年發表。最終，單層也被直接觀察到。通過透射電子顯微鏡也觀察到了散裝材料中的石墨單層，特別是在通過化學剝離獲得的煙塵內部。

1961-1962年，Hanns-Peter Boehm發表了對極薄石墨片的研究，并為假設的單層結構創造了石墨烯這個術語。這篇論文報告了石墨片的額外對比度，相當于低至~0.4納米或3層無定形的碳原子。這是1960年TEMs的最佳分辨率。然而，無論是當時還是今天，都無法論證這些片狀物中有多少層。我們現在知道，石墨烯的TEM對比度在很大程度上取決于焦點錐度。