Graphen ist eine zweidimensionale, kristalline Modifikation des Kohlenstoffs, bestehend aus einer einzigen Atomlage in sp²-Hybridisierung, angeordnet in einem honigwabenförmigen (hexagonalen) Gitter. Es stellt die Grundbaueinheit zahlreicher Kohlenstoffallotrope dar, etwa von Graphit (stapelweise angeordnete Graphenlagen), Kohlenstoffnanoröhren (aufgerollte Graphenlagen) und Fullerenen (gekrümmte Graphenfragmente).

Die herausragenden Eigenschaften von Graphen umfassen eine extrem hohe intrinsische Elektronenbeweglichkeit, hohe Wärmeleitfähigkeit, außergewöhnliche mechanische Festigkeit bei gleichzeitig geringer Dichte sowie hohe optische Transparenz trotz atomarer Dicke. Diese Kombination macht Graphen zu einem zentralen Forschungsobjekt für elektronische, optoelektronische, thermoelektrische und mechanische Anwendungen.

Unter Graphenen werden im werkstofftechnischen Kontext häufig mehrschichtige oder funktionalisierte Graphenstrukturen verstanden, etwa exfoliiertes Graphen, Graphen-Mehrschichten, epitaktisches Graphen auf SiC oder graphenbasierte Makromaterialien wie Aerogele, Schäume und Verbundwerkstoffe. Laserinduziertes Graphen steht exemplarisch für eine direkte, substratgebundene Syntheseroute, während reduziertes Graphenoxid eine prozessierbare, chemisch modifizierte Form mit defektreichem Netzwerk darstellt.

Für Anwendungen ist die gezielte Graphenbildung durch Methoden wie chemische Gasphasenabscheidung (CVD), epitaktisches Wachstum auf Karbidsubstraten oder flüssigphasenbasierte Exfoliation entscheidend, da Schichtzahl, Domänengröße, Defektdichte und Funktionalisierung die elektrischen, mechanischen und chemischen Eigenschaften maßgeblich bestimmen.