自2004年被發現以來，石墨烯備受關注。石墨烯僅有一個碳原子般大小，卻有著奇特的電學、光學和力學效能，例如高的載流子遷移率、良好的透光性、機械效能，等等。這些優異的特性使得石墨烯可用於製作各種微電子器件，有著很大的應用前景，有可能代替矽，作為製作下一代半導體器件的主要材料。主要從石墨烯的特性，以及在光電探測器、超級電容器、觸控式螢幕等幾個方面的應用進行綜述。
1 石墨烯的結構和特性
石墨烯指的是單層的石墨薄片，其厚度僅有一個碳原子大小(0.34 nm)，約為頭髮絲的二十萬分之一。石墨烯片層中每個碳原子以sp2雜化的方式與周圍碳原子形成正六邊形碳環結構，每個原胞中有兩個不等價的碳原子A和B，如圖1所示。A-B鍵為sp2雜化形成的碳碳鍵，鍵長為0.142 nm，在平面內，稱之為σ鍵。此外，在平面外方向，PZ原子的軌道相互交疊，形成離域的大π鍵。π電子可以移動，使得石墨烯具有導電性。σ鍵的鍵能很大，不容易斷裂，使得石墨烯具有很強的韌性。A，B原子不等價，不同的堆疊方式，使石墨烯具有了不同的電子特性。
石墨烯的能帶結構中價帶和導帶成圓錐形，重合於狄拉克點，因而石墨烯是沒有帶隙的，如圖2所示，不需脈衝激發，價帶頂部的電子就會躍遷到導帶底部。石墨烯中的電子在傳輸過程中顯示半整數的量子霍爾效應和相對論粒子特性，利用這一特性可以人為地控制石墨烯帶隙大小。石墨烯的能帶結構不同於半導體的拋物線型能帶結構，在狄拉克點附近，電子色散關係如下：
石墨烯的色散關係是線性的。正因如此，石墨烯中的電子也常被認為是沒有質量的狄拉克費米子，用狄拉克方程來描述其電子的行為。
石墨烯中電子的獨特的狄拉克費米子行為，使得石墨烯不同於其他的半導體材料，有著特異的結構和性質。
1.1 良好的透光性
石墨烯具有優異的光學效能。理論上通過菲涅爾公式推導了自由懸浮單層石墨烯的光強透過率：
在可見光範圍內，石墨烯的透射率為97.7%，而反射率很小，小於0.1%，那麼，可知石墨烯的吸收率A≈1-T%≈2.3%，與入射光的波長無關。實驗上也得到了與理論一致的結論。
1.2 良好的機械效能和熱學效能
理論計算表明，石墨烯的抗拉強度和楊氏模量高達130 GPa和1 TPa，是現有材料中強度和硬度最大的，而一般的鋼材料，它們的抗拉強度一般在250～1 200 MPa之間。很顯然，石墨烯的最大抗拉強度要遠大於普通的鋼材料。這一特性使石墨烯可作為一種特殊的增強相，應用於複合材料。此外，室溫下石墨烯具有很高的熱導率，可達5 000 W/mK，比金剛石和碳奈米管的熱導率還要高。
1.3 較高比表面積
比表面積指的是固體物質所具有的表面積與質量的比值，包含內表面積和外表面積。石墨烯是當前最薄的材料，其厚度僅有一個碳原子大小。通過計算可知，其比表面積可達2 630 m2/g。較大的比表面積可增大石墨烯與其他物質的接觸面積，例如將氣體分子更多的吸附在石墨烯的表面，使得石墨烯區域性的電子濃度發生改變，進而改變石墨烯的特性。利用這一性質，可將石墨烯用於製作氣體感測器。
2 石墨烯的應用
在當今資訊數字化的時代，光電子學器件如顯示屏，觸控面板，發光二極體等要求材料具有較低的面電阻Rs和較高的透射率T。當前使用的半導體材料，如摻雜的氧化銦(In2O3)、ZnO或者它們的化合物以及使用最多的銦和錫的氧化物(ITO)。ITO的電學和光學性質受雜質的影響較大，當激發能量高於4 ev時，出現較強的帶間吸收過程，其光強透射率T≈80%(波長在500 nm的條件下)。在玻璃襯底上時，其面電阻低於10 Ω;以聚乙烯對苯二酸鹽為襯底時，其面電阻在60～300 Ω之間。
但ITO材料存在一些不足和缺陷：①銦的產量少，從而導致ITO的生產成本比較高;②對周圍環境和酸性物質比較敏感，化學性質不穩定;③易碎，因而不能用於需要彎曲的電子裝置中。而石墨烯的出現解決了ITO存在的問題，給電子器件的新發展帶來了希望。石墨烯在較寬的`波長範圍內有很高的透射率T=97.7%，高於ITO。石墨烯的面電阻通過生長的控制也可以達到同ITO材料一樣小。很顯然，石墨烯比ITO材料具有更優異的特性，更適合用於製作電子器件。
上述內容上對石墨烯和常用半導體材料的特性的比較。我們可以發現，石墨烯具有更多優異的性質，石墨烯在電子器件的製作方面具有廣闊的應用前景。下面，我們列舉一些由石墨烯製作成的電子器件的例項。
2.1 光電探測器
光電探測器是通過吸收入射光子能量，將價帶中的電子激發到導帶，從而改變材料的電學效能，測量光功率和光子數的器件。在遠端控制，電視、DVD播放器中都有用到。一般的半導體材料對入射光子能量的吸收受帶隙大小的影響——當光子能量小於帶隙時是不能吸收的。例如，IV族、III-V族半導體在長波範圍，由於光子能量小於帶隙，因而這些材料對長波不能吸收，可看成透明。而石墨烯的帶隙為零，從紫外到太赫茲波段都可將價帶中的電子激發到導帶，具有很寬的吸收頻寬，並且石墨烯具有很高的載流子遷移率。因而，可以將石墨烯用於製作響應速度快、波長探測範圍寬的探測器。
2.2 超級電容器
隨著社會的高速發展，我們需要一些記憶體比較大的儲存裝置來滿足我們的日常生活需要，這使得科學家不斷地探尋和研究一些具備較大儲存能力的裝置，超級電容器就是其中之一。它能夠以較快的速度傳遞能量。至今，各種各樣的材料，如碳質材料、混合金屬氧化物、導體聚合物等都被用於製作超級電容器的電極，尤其是碳質材料，有很大的面電阻和比表面積。但是碳奈米管制作成的超級電容因無法有效降低電極和集電極裝置間的接觸電阻，使得電容器沒有達到預想的儲存效果。
石墨烯有穩定的化學效能，高的電導率以及較大的比表面積等優點而被用於製作超級電容器。曾有報道，多層石墨烯在H2SO4溶液和電解液中被製作出了比電容分別為117 F/g，135 F/g的超級電容器。此外，Yan Wang小組利用石墨烯的氧化物製作出了比電容為205 F/g 的超級電容器，且具有很長的使用壽命，經過1 200次迴圈測試後，比電容仍為測試前的90%，圖3即為利用石墨烯製作成的超級電容裝置。
2.3 觸控式螢幕
石墨烯除了被用於光電探測器、超級電容裝置、太陽能電池外，還可被用於製作觸控式螢幕。觸控式螢幕在我們的日常生活中隨處可見，大家手上使用的觸屏手機、電腦、照相機、顯示屏、電視，等等。通常使用的觸屏是電阻和電容式的，圖4所示，包含導電襯底、液晶面板和透明導電薄膜(作為透明電極)。透明導電薄膜的面電阻Rs在500～2 000 Ω之間，要求波長在550 nm的透射率T>90%，對材料的化學穩定性、硬度等都有很高的要求。而當前使用較多的銦錫氧化物(ITO)因成本高、易碎且不能彎曲等特點，被認為不是製作觸控式螢幕的最完美的材料，石墨烯的出現正好彌補了ITO的不足。如前所述，石墨烯不僅有很高的透射率T、適合的面電阻，還具有很好的均勻性，而且化學性質穩定，具有硬度大等特點。圖5為Bae et al.小組採用CVD方式生長的石墨烯製作的手寫觸控式螢幕。
這裡介紹的只是石墨烯應用的冰山一角，除了上述提到的，還可將石墨烯用於製作感測器、發光裝置、場效電晶體、納電子器件、鐳射器，等等。可見，石墨烯是製作光電子器件的理想材料，在諸多領域有望代替矽成為新一代的電子器件的原材料，有著無限廣闊的應用前景。