1.内部结构

  石墨烯中碳原子的排列与石墨单原子层相同，石墨单原子层由SP2杂化轨道结合，具有以下特点：碳原子有四个价电子，其中三个电子生成SP2键，即每个碳原子贡献一个位于PZ轨道的未结合电子，相邻原子的PZ轨道垂直于平面形成π键，新形成的π键为半填充。结果表明，石墨烯中碳原子的配位数为3，相邻碳原子间的键长为1.42×10-10m，键间夹角为120°。除了σ，除了蜂窝状层状结构，其中键与其他碳原子连接成六角形环外，垂直于每个碳原子层平面的PZ轨道可以在整个层中形成多个原子的大π键（类似于苯环），因此它具有优异的电学和光学性能。

  2.力学性能

  石墨烯是已知强度高的材料之一。同时它还具有良好的韧性和可弯曲性。石墨烯的理论杨氏模量为1.0tpa，固有抗拉强度为130gpa。经氢等离子体改性的还原石墨烯也具有很好的强度，平均模量可大于0.25tpa。由石墨烯薄片组成的石墨纸有许多孔，所以石墨纸看起来很脆。然而，功能化石石墨烯是通过氧化得到的，那么由功能化石石墨烯制成的石墨纸就会变得非常坚韧。

  3.电子效应

  石墨烯在室温下的载流子迁移率约为15000 cm2/（V·s），是硅的10倍以上，是锑化铟（InSb）的两倍以上。在某些特定条件下，如低温，石墨烯的载流子迁移率甚至可以高达250000 cm2/（V·s）。与许多材料不同，石墨烯的电子迁移率受温度变化的影响较小。在50～500K的温度范围内，单层石墨烯的电子迁移率约为15000 cm2/（V·s）。

  此外，通过电场作用改变化学势，可以观察到石墨烯中电子载流子和空穴载流子的半整数量子霍尔效应，科学家在室温下观察到了石墨烯的这种量子霍尔效应。石墨烯中的载流子具有特殊的量子隧穿效应，当遇到杂质时不会产生后向散射，这是石墨烯具有局域超导电性和高载流子迁移率的原因。石墨烯中的电子和光子没有静态质量，它们的速度是一个与动能无关的常数。

  石墨烯是一种零距离半导体，因为它的导带和价带在狄拉克点相遇。在狄拉克点的六个位置，动量空间的边布里渊被分成两组等价的三重态。相比之下，传统半导体的要点通常是Γ，动量为零。

  4.热性能

  石墨烯具有很好的导热性。纯无缺陷单层石墨烯的热导率高达5300w/MK，是迄今为止高的碳材料，高于单壁碳纳米管（3500W/MK）和多壁碳纳米管（3000W/MK）。当石墨烯用作载体时，其导热系数也可以达到600W/MK。[8]此外，石墨烯的弹道导热系数可以降低碳纳米管每单位周长和长度的弹道导热系数下限。