石墨烯是碳原子排列成单层蜂巢状的二维晶体，以sp²杂化形成，厚度为一个碳原子直径（0.34 nm），是目前世界上最薄的材料，同时也是其他不同维度石墨材料的构建基础，例如石墨烯可包裹成零维的富勒烯（Fullerene）球体，可卷绕成一维的碳纳米管（Carbon Nanotube, CNT），也可堆栈成三维的石墨。由于其sp²杂化轨域，π键结之电子有较高自由度，可在规则的晶格间移动，因此石墨烯具备良好的电子迁移率及导电度；另外，石墨烯稳定的键结结构，使声子可在晶格传递时减少能量逸散，因此有良好的导热性质；同时也由于其稳定的键结结构，石墨烯具有优良的机械强度。

简而言之，石墨烯结合了目前所有已知材料的优点，赋予了其在各项工业领域的革命性应用前景，尤其在热管理应用、电/磁应用、机械性能应用、防护应用与储能应用上，已进入产业化应用阶段。