石墨烯(Graphene)這個單字是德國科學家波姆(Hanns-Peter Boehm)創於1962年，源自於石墨(graphite)跟烯(-ene)字尾的結合，目的是用來描述「單原子層的石墨」；據信波姆可能是第一個針對單原子層石墨進行相關研究的學者。有趣的是，「烯」在有機化學裡泛指具有-C=C- 雙鍵結構的有機化合物，然而石墨烯卻是不折不扣無機物。而「多層的」石墨graphite 這個單字則由18世紀德國地質學家維爾納(A. G. Werner)所命名，希臘文的意思是「書寫」，因為16 世紀英國人發現大量純石墨礦藏後立刻成為鵝絨筆及墨水的簡便替代品，也就是所謂的鉛筆。石墨烯這個約定俗成的中文名稱很容易讓人誤認為是有機物，因此也有人使用「單(原子)層石墨」或「石墨薄片」稱之，但「石墨烯」依然是在華人世界裡最普遍的稱呼。

石墨烯是六角形蜂窩狀排列的碳原子所組成單原子厚度的薄膜，就像一張網子，被認為是準二維(quasi-two-dimensional)結構的材料。假如將高定向熱解石墨(highly oriented pyrolytic graphite, HOPG)的多層結構比喻成一本書，單層石墨烯就相當於這本書中的一張紙(圖一、圖二)。在2004年蓋姆與諾沃謝洛夫成功地從HOPG 單層石墨烯分離出來之前，大多數物理學家認為，除非有其它的支撐材料做為基材，否則熱力學不允許任何二維晶體在有限溫度下孤立存在，所以它的發現立即震撼了凝態物理界。蓋姆想要研究石墨烯的原因據他本人表示，首先他們剛好有一些設備，可以研究小樣品；而且，當時擔任博士後研究員的諾沃謝洛夫研究工作就是跟低維物理系統相關的；至於另一個原因，蓋姆自稱是自己的「研究劣根性」，蓋姆私底下對大部份所謂熱門的題目多多少少都有一點鄙視，那一段時間裡最熱門的奈米碳材料是奈米碳管，但是他卻很不喜歡奈米碳管，因為他發現許多聲稱獲得重大突破的奈米碳管研究，其實都言過其實，所以他想做一點不同於奈米碳管的東西，想著想著，就覺得為什麼不乾脆把奈米碳管開腸剖肚算了？這有點無厘頭的念頭就是最初的發想。

雖然在當時認為不太可能真的拿把刀子把奈米碳管剖開，但總是可以試著做一些類似「被剖開的奈米碳管」的東西；因此，便開始嘗試用研磨方法將HOPG儘可能地減薄。其實當時誰也沒料到能獲得單原子層的石墨烯，畢竟大夥都學過熱力學；但認為製備100層以內的石墨應該是可能的，所以他們當時的目標是：製備大約100層的石墨，並嘗試對其進行研究。在一次偶然的機會，他們看到一名工程師正在用HOPG測試一台掃描穿隧顯微鏡(scanning tunneling microscope, STM)，並且用膠帶黏貼HOPG來清潔表面，而其實這只是標準操作程序之一。於是蓋姆和諾沃謝洛夫馬上開始用膠帶反覆黏貼HOPG再撕開，使之越變越薄；在將近一年枯燥的反覆嘗試後，於2004年得到單原子層的石墨烯，並且於同年10月在Science上發表標題為「Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films」的論文，開啟了二維材料的新時代(圖三)。

• 延伸閱讀：一枝鉛筆畫出奈米碳網（科學人2008年第75期5月號）