在几十年前，制造出单原子厚的二维分子片的想法似乎是一个遥不可及的梦想，直到2003年，Geim和Novoselov在石墨上贴了一些透明胶带，从而生产出了这种材料——石墨烯，并且该材料成功获得了2010年的诺贝尔物理奖。石墨烯具有优异的机械强度、电导率、热导率和光学透明度，使其在电子、光电子、传感器、药物或基因传递系统等多个领域展现出广泛的应用潜力。
石墨烯是由 sp² 杂化的碳原子组成的单层二维材料，具有蜂窝状晶格结构。如图1所示其分子结构具有各种形态，分别是0D结构时形成富勒烯球形分子；1D结构时形成碳纳米管；2D结构时形成石墨烯；3D结构时为石墨。
图1 石墨烯（2D）是不同形态碳材料的主要成分：0D富勒烯、1D纳米管和3D石墨
石墨烯的厚度通过隧道电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、密度梯度超速离心（DFG）已获得了准确的数据，并将其与石墨烯的特性相联系。石墨烯基纳米材料（GBN）根据层数可分为单层、双层和少层（2～10层）。当GBN处于氧化形式时结构又可分为两类：氧化石墨烯（GO）和还原氧化石墨烯（rGO）。石墨烯的边缘结构有扶手椅形和锯齿形（图2b），锯齿形结构显示出较为优异的稳定性，这两种结构具有不同的性质和电子结构，可对不同的应用进行调节。两层或多层石墨烯堆叠，如图2a所示有 AA 堆叠、 AB 堆叠和ABC堆叠方式。在层数较少的石墨烯的结构中，AB和ABC堆叠同时存在，AA堆叠较为少见。与此同时研究发现单层和多层的石墨烯与块状石墨不同，图2c所示。
图2 （a）石墨烯层分别以AB和ABC所示的Bernal和菱面体结构堆叠。（b）红色区域显示扶手椅边缘，锯齿形边缘显示蓝色。（c）显示具有不同层的石墨烯的光学显微镜图像。
石墨烯的模型结构已清晰，接下来将是GO，由于其非晶态和非化学计量的原子组成致使目前无精确的分析技术可用来表征GO材料和类似物。在提出的较多模型中如：Hofmann、 Ruess、Scholz-Boehm、Nakajima-Matsuo、Lerf-Klinowski、和 Dekany 的模型（图 3）。目前最可接受的是Lerf-Klinowski模型，因其体现出规则晶格包含离散的重复单元。
图3 各氧化石墨烯模型
Lerf等人使用固态核磁共振波谱（NMR）来表征氧化石墨烯取得了一系列进展，其后Ajayan等人提出了其相关的研究理论，至此，研究证明表明通过利用不同石墨来源和改变合成方法，含氧官能团的相关比列和密度会发生很大的变化。该文对于石墨烯的机械性能、不渗透性、热性能、电学性能、化学性能、光学性能、物理性能、生物性能等进行了较为全面的研究讨论如表1所示。
表1 石墨烯基材料的主要性能总结
其中石墨烯高度不透水有以下原因：1、高强度；2、片材紧密堆叠；3、密集堆积的碳原子；4、高电子密度。与其他的特殊性能相比，石墨烯的电性能引起了广泛的关注。石墨烯为本征半导体具有独特的费米能级和线性狄拉克状光谱的排列，同时层数也对石墨烯的电学和光学性能有着显著的影响如图4所示。
图4 （a）石墨烯的电导带和狄拉克点的价带之间的可忽略不计的距离。（b）层数对石墨烯的电学和光学特性有显着影响。蓝色和红色实线表示存在栅极偏压时的石墨烯带结构，虚线表示没有栅极偏压的结构
在石墨烯的光学特征研究中，由于尺寸导致的量子效应和石墨烯的内在特性相结合，使零维石墨烯量子点（GQD）成为具有独特的光电特性的量子点，主要是因为量子限制和边缘效应导致纳米工程材料的带隙小于2ev。GQD也已在多个应用领域得到了成功研究，如：太阳能电池、生物传感、电池成像、光催化剂、光电化学电池以及光热敏化剂分子。
在GBNs的生物性能研究中GO和石墨烯片（GS）具有着介导光热治疗、抗菌和抗微生物作用以及药物输送载体的潜力。与双链DNA相比，GO则可以优先和单链DNA相互作用，并能够保护核酸免受其核酸酶的攻击，此外也发现GQD无明显的细胞毒性或对细胞分化和增殖能力无任何影响。
对于石墨烯和GO的合成方法文章分为了两个部分来讨论：1、自下而上的方法；2、自上而下的方法。自下而上的方法主要包括（1）、外延生长；（2）、化学气相沉淀（CVD）（3）、Hummer法。
外延生长则是利用石墨烯沉积在例如：六方氮化硼、Ir、Ru、Cu、SiC、Pt等不同类型的晶体基底上。其中主要介绍了石墨烯在SiC上的生长和在六方氮化硼上面的生长。石墨烯在SiC上的生长方法涉及Si原子从SiC表面升华，然后将剩余的碳原子石墨化，由于在升华过程中使用了高温，从而导致SiC表面形成了“阶梯”，使得制成得石墨烯片粗糙和有缺陷存在，此问题通过使用聚合物辅助升华生长来稳定SiC表面来解决。在新方法中，使用外部聚合物碳源可在高温退火破坏表面的光滑形态前开始稳定缓冲层的生长。
优先选择六方氮化硼作为衬底是因其具有和石墨烯相同性质的绝缘体特性，并且在任何其他衬底上都显示出最高的迁移率，使得在石墨烯的外延生长中能提供良好的机械支撑且不会干扰石墨烯电性能。
CVD则是更实用的一种石墨烯合成方法，该方法使用金属基材（即镍或铜箔）在高温含碳源气体的存在下生长石墨烯。该过程中使用的条件因不同的碳源气体而异，包括甲烷、甲烷—氢气、甲烷—氢气—氩气。但过渡金属基材在高温下暴露于烃类气体会导致石墨烯成核和生长，麻省理工在2009年的第一份CVD报告中，试图使用900～1000℃的镍膜。在高稀释的碳氢化合物流下合成1至10层的超薄石墨烯薄膜。在这个CVD过程中，镍膜和碳原子结合在一起形成固溶体。考虑到碳在镍中的溶解度对温度的依赖性，石墨烯层是里利用冷却过程中碳原子的沉淀形成的。CVD生长的石墨烯层与其金属基底的分离通常是通过化学蚀刻实现的。然而，化学蚀刻增加了成本，需要很长的处理时间，因此使用K2S2O8作为电解质，使用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）支撑石墨烯/Cu，对石墨烯薄膜进行电化学分层，使其远离亚铜层。该方法的示意图如图5所示。
图5 CVD生长的石墨烯通过化学方式从其基材上剥离
1859年，Brodie声称通过用氯酸钾和硝酸处理石墨获得了一种新型的碳结构，并将其称为“石墨烯”，这种方法是制备GO的基本方法的一个例子。之后，在1898年，Staudenmaier试图改进Brodie的方法，在硫酸和硝酸的混合物存在下缓慢加入氯酸盐。然后，在1958年，Hummer及其同事使用了在H2SO4中包含KMnO4、NaNO3混合物，目的是生产改良石墨烯材料。自此，该反应被称为改进版Hummer法。GO含有许多含氧官能团，这使其成为比原始石墨烯更好的材料，可以在各种应用中进行化学官能化。然而，由Hummer法制备的石墨烯存在一些缺点，例如均匀性有限，这可以通过石墨烯的直接氧化来克服。但GO可能被认为是不必要的高度氧化，所以已经制备了还原形式rGO。在GO还原过程中，有几个因素会影响化学和物理特性。例如，调节氧化程度可以控制电导率、电子带隙、GO和掺杂纳米晶体之间的相互作用。而rGO可通过微波辅助还原、热还原、化学还原、电化学还原、光化学还原和光热还原等一系列还原方法获得。
自上而下主要包含：（1）、机械剥离；（2）、化学剥离；（3）、电化学剥离合；（4）、电弧放电。自上而下是将高阶结构转向低阶实体的程序，具体是将块状石墨合成为石墨烯层。此方法可以扩大规模生产比自下而上方法更多数量的石墨烯。
机械剥离：通过克服范德华力从而避免将石墨烯片固定在一起，从石墨中剥离出石墨烯薄膜，形成尺寸高达10um的薄膜层，通常使用Scotch胶带、SiO2印模、钯膜或PDMS印模等方法，具有成本低等优点，但结晶度的大小和尺寸难以注意。
化学剥离：通过氧化或使用溶剂使石墨层分离，氧化过程使用不同的官能团来增加石墨层的距离导致范德华力减小，常用的还原剂有水合肼、N-甲基-2-吡咯烷酮（NMP）、甲磺酸和离子溶剂等，但肼基还原剂毒性较大且易爆。通过Paredes等人的研究在其他化学替代物中只有维生素C优于肼。
电化学剥离：以石墨为牺牲电极，在HBr、HCl、HNO3、H2SO4等电解质中进行剥离，具有成本低、高效且环保的工艺规模生产石墨烯的优点。
电弧放电：使用高纯度石墨电极在H2或He等缓冲气体中产生电弧来制备石墨烯（图6），具有简单、廉价且可大规模生产同时缺陷较少的优点。自1991年起便开始用于研究该合成方法的例子，包括产品、阳极、阴极的条件，由表2所示。
图6 电弧放电示意图
表2 石墨烯合成中电弧放电方法实例
通过对石墨烯材料进行官能化，来克服低分散性、化学惰性和零带隙等结构缺点。根据修改策略对其分为共价和非共价方法，而共价官能团根据其反应类型又分为单原子反应（氧化、氢化、卤化）、自由基反应和环加成反应，此外聚合物也是常与石墨烯共价连接的材料，表3和表4则是分别列出详细信息。
表3 通过单原子反应实现石墨烯底物的共价官能化
表4 共价连接到石墨烯上的聚合物
对于各种分子与石墨烯和GO的非共价连接已有许多的研究加以探讨，其中最常见和最有效的方法是Π-Π堆叠相互作用，其他方法则是范德华力、氢键、离子键和配位键来进行共价修饰，并应用于如：药材、光敏剂、荧光探针、核酸、芘衍生物和聚合物等不同材料。
非共价功能化应用于石墨烯，以使石墨烯可溶于极性溶剂，或修饰电子和其他性质的，表5对此进行了列举。
表5 非共价改性石墨烯材料的方法
综上所述，该文章讨论了石墨烯和GO的性质、不同制备方法和各种类型的功能化。可以得出结论石墨烯纳米材料在科学、医学和工程的各个领域都有着令人兴奋的潜力。石墨烯和石墨烯基材料和器件的发展仍然是一个相对年轻但潜力巨大的邻域，未来有着很大的发展空间。该综述提供了一般性的概述，同时也涵盖了石墨烯的最新发展，期待未来石墨烯将解决更多的科学和工程问题。
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