平面的pz轨道可以形成贯穿全层的多原子的大π键，因而具有优良的导电和光学性能。
单层石墨烯结构图
单层石墨烯结构图
力学特性
石墨烯是已知强度最高的材料之一，同时还具有很好的韧性，且可以弯曲，石墨烯的理论杨氏模量达10tpa，固有的拉伸强度为130gpa。而利用氢等离子改性的还原石墨烯也具有非常好的强度，平均模量可大025tpa。由石墨烯薄片组成的石墨纸拥有很多的孔，因而石墨纸显得很脆，然而，经氧化得到功能化石墨烯，再由功能化石墨烯做成石墨纸则会异常坚固强韧。
电子效应
石墨烯构成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图
石墨烯构成富勒烯、碳纳米管和石墨示意图
石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000cm2/，这一数值超过了硅材料的10倍，是已知载流子迁移率最高的物质锑化铟的两倍以上。在某些特定条件下如低温下，石墨烯的载流子迁移率甚至可高达250000cm2/。与很多材料不一样，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小，50~500k之间的任何温度下，单层石墨烯的电子迁移率都在15000cm2/左右。
另外，石墨烯中电子载体和空穴载流子的半整数量子霍尔效应可以通过电场作用改变化学势而被观察到，而科学家在室温条件下就观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。石墨烯中的载流子遵循一种特殊的量子隧道效应，在碰到杂质时不会产生背散射，这是石墨烯局域超强导电性以及很高的载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子均没有静止质量，他们的速度是和动能没有关系的常数。
石墨烯是一种零距离半导体，因为它的传导和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置动量空间的边缘布里渊区分为两组等效的三份。相比之下，传统半导体的主要点通常为Γ，动量为零。
热性能
石墨烯具有非常好的热传导性能。纯的无缺陷的单层石墨烯的导热系数高达5300w/mk，是为止导热系数最高的碳材料，高于单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。当它作为载体时，导热系数也可达600w/mk。此外，石墨烯的弹道热导率可以使单位圆周和长度的碳纳米管的弹道热导率的下限下移。
石墨烯具有非常良好的光学特性，在较宽波长范围内吸收率约为23%，看上去几乎是透明的。在几层石墨烯厚度范围内，厚度每增加一层，吸收率增加23%。大面积的石墨烯薄膜同样具有优异的光学特性，且其光学特性随石墨烯厚度的改变而发生变化。这是单层石墨烯所具有的不寻常低能电子结构。室温下对双栅极双层石墨烯场效应晶体管施加电压，石墨烯的带隙可在0~025ev间调整。施加磁场，石墨烯纳米带的光学响应可调谐至太赫兹范围。
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