石墨烯是一种由单层碳原子以sp²杂化轨道组成的二维材料，呈六角形蜂窝状晶格结构。自2004年由安德烈·海姆和康斯坦丁·诺沃肖洛夫通过机械剥离法首次成功分离以来，石墨烯因其独特的电学、力学和热学性质，迅速成为材料科学领域的研究热点。

石墨烯的电学性质极为优异。作为零带隙半导体，其电子迁移率高达2.5×10⁵ cm²/V·s，远超硅材料。这种高导电性使得石墨烯在高速电子器件、柔性显示器和传感器等领域具有巨大应用潜力。

在力学性能方面，石墨烯的杨氏模量约为1 TPa，断裂强度达到130 GPa，是已知最强的材料之一。同时，它具有极高的柔韧性和透光率（约97.7%），这使其成为制备透明导电薄膜和柔性电子设备的理想材料。

热学性质上，石墨烯的热导率可达5000 W/m·K，优于绝大多数已知材料，在热管理领域，如电子设备散热方面展现出重要价值。

目前，石墨烯的制备方法主要包括机械剥离法、化学气相沉积法（CVD）、氧化还原法等。其中，CVD法因其可大规模制备高质量石墨烯而备受关注。

应用方面，石墨烯已广泛应用于多个领域：在能源领域，它被用于超级电容器、锂离子电池和太阳能电池的电极材料；在电子领域，它是制备高速晶体管和柔性电路的关键材料；在生物医学领域，石墨烯基材料被用于药物递送、生物传感和组织工程。

尽管石墨烯研究取得了显著进展，但仍面临一些挑战，如大规模高质量制备、成本控制和实际应用中的性能稳定性等问题。未来，随着制备技术的改进和新应用的开发，石墨烯有望在更多领域发挥重要作用，推动科技进步和产业发展。