相比而言，2004年，由海姆发现的石墨烯来说是最晚的，虽然如此，石墨，碳纳米管、富勒烯都可以看作由石墨烯转化来的，因此石墨烯可以看作是其他三种材料的母体。
石墨烯、富勒烯、碳纳米管以及石墨都是碳的同素异形体。由图2可以看出，石墨是由多层的石墨烯堆积而成的，石墨的层与层之间是由范德华力结合的，而同一网层中的碳原子是由特殊的单键结合，因此层与层间的距离比同一网层中碳原子的间距大，石墨的层与层之间是较松散的结构。碳纳米管的主体管部分可以看作是由一部分石墨烯片层卷曲而成，两端各由半个
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富勒烯封口。碳纳米管中的碳原子除了sp2杂化外，还有部分的sp。杂化，这样才能呈现出弯曲的管状结构。碳纳米管有着奇特的导电性质，它会因石墨烯形成碳纳米管时的卷曲方式不同而呈现出金属性和半导体性。另外，正是由于碳纳米管与石墨烯如此亲近的关系，碳纳米管的各种性质，石墨烯大都同样具有。富勒烯是由石墨烯上的一部分弯曲成足球状得到的，它是由60个碳原子以20个6元环和12个5元环连接而成的具有30个碳碳双键的足球状空心对称分子，分子剩余的电子在球状分子中形成大π键，因此富勒烯具有芳香性。
3、石墨烯的特性
石墨烯具有优异的电学、热学和力学性能。由于其独特的二维结构和优异的晶体学质量，石墨烯具有丰富而新奇的物理现象。
31特殊的结构稳定性
石墨烯结构非常稳定，迄今为止，研究者仍未发现石墨烯中有碳原子缺失的情况。石墨烯中各碳原子之间的连接非常柔韧，当施加外部机械力时，碳原子面就弯曲变形，从而使碳原子不必重新排列来适应外力，就能保持结构稳定。
石墨烯的发现，首先让凝聚态物理学家们惊喜不已。在发现石墨烯以前，大多数物理学家认为，热力学涨落不允许任何二维晶体在有限温度下存在，所以，它的发现立即震撼了凝聚态物理界。虽然理论和实验都认为完美的二维结构无法在非绝对零度稳定存在，但是，现在单层石墨烯已被剥离出来了。石墨烯结构稳定，可能归结于石墨烯在纳米级别上的微观扭曲。石墨烯在原子尺度上结构非常特殊，必须用相对论量子物理学才能描绘。石墨烯还表现出了异常的整数量子霍尔行为。其霍尔电导2e2／h，6e6／h，lOe2／h…为量子电导的奇数倍，且可以在室温下观测到。这个行为已被科学家解释为“电子在石墨烯里遵守相对论量子力学，没有静质量”。
32优异的导电性
石墨烯稳定的晶格结构使碳原子具有优异的导电性。石墨烯中的电子在轨道中移动时，r