碳能够创造新材料甚至生命，是由于其具有以碳原子为中心形成长链的独特能力。在石墨中，相邻的碳原子之间形成一个σ键（即共价键），其碳碳键长约为0.1421nm（图2.2）。

通过与三个相邻的碳原子共享三个sp²电子，形成蜂窝状网络的平面结构。石墨是由许多这样的蜂窝状网络结构堆叠而成的，这些堆叠有两种形状，即六方形和菱形（图2.3），碳的第四个电子游离在整个石墨晶面。sp²具有很强的面内键（共价键），但面外键（范德华力）较弱。由于面外键较弱，层之间的距离为0.3354nm，石墨片易滑动，从而形成了石墨烯。

约翰D·伯纳尔（John D.Bernal，1926）首次提出石墨的片层结构有两种：六方相和三方相（图2.3）。

在六方相（六边形）结构中，每一个碳原子与其相邻的三个碳原子在同一平面且呈对称关系。如上所述，在面内的碳碳键间距离为0.1421nm，面内晶格常数a₀=0.2456nm，c轴晶格常数c₀=0.6708nm，层与层的距离b₀=0.3354nm，平面环因电子共振和电子的离域而形成稳定的状态。当平面层以ABABAB的顺序堆叠时，就形成了此种结构，这样所有的原子薄片互相位于薄片B的上层或下层（图2.3）。

在三方相结构中，片层以ABCABC的顺序排列（图2.3）。在这两种结构中，互相堆叠的片层之间的距离为0.3354nm，六方相的结构比三方相更稳定。(www.daowen.com)

图2.3 石墨烯的堆叠形成了石墨

石墨中石墨烯层上的面内σ键和垂直于平面π轨道的示意图如图2.4所示。