碳元素广泛存在，具有很多同素异形体，常认为石墨是由二维网状碳原子组平面经有序堆叠成的晶体，其单层网状平面结构晶体在自然界中并不能单独稳定存在。但早在1988年日本东北大学教授以蒙脱土为模板，用丙烯腈做原料，在模板二维层间制得石墨烯片层结构，但当去除模板后不能单独存在，迅速生成了三维石墨体。

随后2004年英国科学家成功用机械剥离法将石墨层片剥离，获得了碳 原子sp2杂化连接的单层石墨层片。 此种可稳定存在的二维单原子厚度碳原子晶体——自由态石墨烯(Graphene)，其基本单元结构是最具稳定结构的六元环，它的发现充实了碳元素家族，可作为零维富勒烯、一维碳纳米管(尤其单壁CNT)、三维金刚石及石墨的基本结构单元，是当前理想的二维纳米材料，结构如图1。