单分子形式的石墨烯只有单原子厚度，z轴约为0.32纳米。这意味着消除了第三维度，并将其归类为2D的全表面材料。从长远来看，一叠300万张石墨烯薄片只有1毫米厚。
尽管石墨烯极薄，但其单层形式是迄今为止测试过的最坚固的材料，其强度部分来自其灵活性，这意味着它也是迄今为止测量到的最具弹性的晶体材料。它的透光率也达到97.7%，透光率极低，甚至连氦原子都无法穿透它。
石墨烯的导热系数也是有史以来最高的，是铜的10倍。作为一种材料，它的优势还在于它具有最高的本征电子迁移率，大约是硅的100倍。在过去的15年里，这种特性尤其引起了电子应用的兴趣。
总而言之，这些特性使石墨烯成为先进材料科学技术最新的“神奇材料”。这导致了对其他类似于石墨烯的2D材料的研究，从六方氮化硼(h-BN)、二硫化钼(MoS2)、过渡金属二卤代烃(TMDCs)和黑磷，到硅烯、锗烯等。
与石墨烯相比，更广泛的二维材料具有重要意义，因为与金属、半金属和半导体相比，石墨烯具有更广泛的电子特性，而金属、半金属和半导体的能带以及绝缘体都有不同的间隙。
此外，通过具有独特物理性质的异质结构的分层结果，将这一更广泛的二维组中的材料组合起来。这一范围的2D材料和当这些2D材料在一起工作时可以形成的异质结构具有广泛的应用范围，包括电子、光电子、传感器、柔性和可穿戴设备、催化等。
