carbon nanotubes、carbon nanobuds、carbon nanofiber、graphene、carbon nanofoam、linear acetylenic carbon、lonsdaleite 等等 [1-5]。
石墨烯（graphene）是從石墨分離出來的單原子層平面，為碳的同素異形體之一。
由碳原子以sp2混成軌域構成六邊形晶格的薄層平面，且僅一個碳原子厚度的的二維材 料 [6]。自從 20 世紀初，X 射線晶體學的創立以來，科學家就已經開始接觸到石墨烯 了。1918 年，V. Kohlschütter 和 P. Haenni 詳細地描述了石墨氧化物紙（graphite oxide paper）的性質 [7]。石墨烯一直被認為是假設性的結構，從熱力學的觀點而言，無法單 獨穩定存在。但在 2004 年，英國曼徹斯特大學物理學家 Andre Geim 和 Konstantin Novoselov 成功地在實驗中從石墨中分離出石墨烯，而證實它可以單獨存在 [8、9]。兩 人也因「在二維石墨烯材料的開創性實驗」為由，共同獲得2010 年諾貝爾物理學獎。
石墨烯的性質與大多數常見的三維物質不同，純石墨烯是一種半金屬(多層)或零能 隙半導體(單層)。理解石墨烯的電子結構是研究其能帶結構的起始點。決定石墨的導電 性在於網狀層面上的每顆碳原子以外層電子離域(delocalization)形成 π 雲狀(π-cloud)的 結鍵。石墨在聲與熱的傳遞有很大差異性，聲子在平面傳遞非常快速，但在層與層之間
為這線性色散關係，電子和電洞在這六點附近的物理行為，可由Dirac 方程式描述的相 對論性自旋1/2 粒子。所以，石墨烯的電子和電洞都被稱為 Dirac-Fermion，而 Brillouin zone 的六個轉角被稱為 Dirac 點。在這位置的能量等於零，載子從電洞變為電子，從電
會發生於別種物質，但石墨烯具有高電導率和低雜訊的優良品質，能夠偵測這微小的電 阻變化 [20]。
根據理論推導，石墨烯會吸收πα 2.3%的白光，其中α是精細結構常數 [15]。一 個單原子層物質不應該有這麼高的不透明度，單層石墨烯的獨特電子性質造成了這令人 驚異的高不透明度。由於單層石墨烯不尋常的低能量電子結構，在Dirac 點，電子和電 洞的圓錐形能帶（conical band）會相遇，因而產生這結果。實驗證實這結果正確無誤，
石墨烯的不透明度為2.3 0.1%，與光波波長無關。
有實驗在室溫下展示，通過施加電壓於一個雙閘極雙層石墨烯場效電晶體，石墨烯 的能隙可以從0 eV 調整至 0.25 eV（大約 5 微米波長）[21]。通過施加外磁場，石墨烯 奈米帶的光學響應也可以調整至Tera Hertz 頻域 [22]。當輸入的光波強度超過閾值時，
這獨特的吸收性質會開始變得飽和。這種非線性光學行為稱為可飽和吸收（saturable absorption），閾值稱為飽和流暢性（saturable fluency）。給予強烈的可見光或近紅外線激 發，因為石墨烯的整體光波吸收和零能隙性質，石墨烯很容易就可以變得飽和。石墨烯 可以用於光纖雷射器（fiber laser）的鎖模（mode locking）運作。用石墨烯製備成的可 飽和吸收器能夠達成全頻帶鎖模。由於這特殊性質，在超快光子學（photonics）裏，石 墨烯有很廣泛的應用空間 [23,24]。