近年來，碳納米技術的研究相當活躍，多種多樣的納米碳結晶、針狀、棒狀、桶狀等層出不窮。2000年德國和美國科學家還制備出由20個碳原子組成的空心籠狀分子。根據理論推算，包含20個碳原子僅是由正五邊形構成的，C60分子是富勒烯式結構分子中最小的壹種，考慮到原於間結合的角度、力度等問題，人們壹直認為這類分子很不穩定，難以存在。德、美科學家制出了C60籠狀分子為材料學領域解決了壹個重要的研究課題。碳納米材料中納米碳纖維、納米碳管等新型碳材料具有許多優異的物理和化學特性，被廣泛地應用於諸多領域。
碳元素是自然界中存在的與人類最密切相關、最重要的元素之壹，它具有SP、SP2、SP3雜化的多樣電子軌道特性，在加之SP2的異向性導致晶體的各向導性和其它排列的各向導性。因此以碳元素為唯壹構成元素的碳素材料具有各式各樣的性質，並且新碳素相合新碳素材料還不斷被發現和人工制得。事實上，沒有任何元素能像碳這樣作為單壹元素可形成像三維金剛石晶體、二維石墨層片、壹維卡賓和碳納米管、零維富勒烯分子等如此之多的結構與性質完全不同的物質。表1給出了碳的化學鍵合及其形成的各種典型有機物、無機物和碳相的例子。
表1 碳的化學鍵合及其形成的化合物和碳相 鍵合方式 ***價鍵離子鍵 金屬鍵範德華力 分子鍵合 Sp雜化SP2雜化SP3雜化Sp SP2 SP3
雜化混合 配位數234不定6、8、12 平均C－C
距離（mm） 0.1210.133
0.142 0.154 0.119
0.124 0.335結合能kj/mol463520 典型例有機物或無機物乙炔（C2H2）乙炔（C2H4）
苯（C6H6） 金剛烷（C10H16）
環十二烷（C12H18）
（CF）n、SiC、B4C CaC2
Fe3C
Al4C3 分子性層間
化合物
（C8K等） 已確定碳相（聚炔累積烯烴卡賓
（六方晶棱面體晶C60） 石墨（面內）（立方晶、六方晶）
n-金剛石 金剛石
過渡態
（各種碳材料） C60石墨（層間）尚未明確的碳相C2～C20
碳分子 1－石墨
3d－sp2
bct－4
聚苯 6H－金剛石BC－8碳苯
（carbophene）
石墨炔類
（graphynes） Sc 、bcc、 fcc
β- tin hcp 表2 碳素系功能材料的種類 Sic C CN 零維 壹維 二維 三維 無定型 物質 3c －Sic
6h －Sic 富勒烯 納米管
卡賓
碳纖維 石墨
石墨烯 金剛石 無定型碳
金剛石碳 β－C3N4 制備方法 升華再結晶
CVD
LPE
MBE 熱CVD法
燒蝕法
放電法 堿化處理
放電法
氟化氫分解法 熱CVD法
加熱蒸發法
燒蝕法 高壓合成法
CVD法 CVD法
PVD法
濺射法
等離子體法 離子束濺法
燒蝕法 形態 單晶
塊體
薄膜 單晶
薄膜 分子纖維 分子纖維
微晶
單晶
定向結晶 微晶
單晶
粒狀
薄膜 無定型
薄膜
塊狀
纖維 微晶 特征 高強度
耐環境性 半導體性
催化功能
強磁性
超導性 導電性
高強度
催化功能 導電性
催化功能
插層 高硬度
高熱傳導性
高耐熱性
耐磨蝕性 高硬度
耐腐蝕性
導電性 高硬度（預測） 用途 電力－電子
材料 超潤滑材料
非線性光學材料 超輕質材料
超高強材料
能原材料 電極材料
X射線光學材料 超潤滑材料
高頻材料
電力－電子材料 超潤滑材料
電極材料
保護塗層
催化劑載體 科學家們逐漸發現碳素材料在硬度、光學特性、耐熱性、耐輻射特性、耐化學藥品特性、電絕緣性、導電性、表面與界面特性等方面比其它材料優異，可以說碳材料幾乎包括了地球上所有物質所具有的特性，如最硬－最軟，絕緣體－半導體－良導體，絕熱－良導熱，全吸光－全透光等，因此具有廣泛的用途，如表2所列。