1.電學(xué)性質(zhì)

石墨烯具有獨(dú)特的載流子特性。作為零帶隙半導(dǎo)體，石墨烯表現(xiàn)出雙極化電場效應(yīng)，載流子濃度在電子和空穴之間能夠連續(xù)變化，并可高達(dá)10e13/cm2。室溫下的載流子遷移率（μ）可達(dá)1.5×10e4cm2/Vs以上。在300K下，μ仍受雜質(zhì)散射的限制，將雜質(zhì)散射減少到最小時(shí)，懸浮石墨烯的遷移率超過2×10e5cm2/Vs8。盡管室溫下一些半導(dǎo)體如銻化銦（InSb）表現(xiàn)出高的μ值，約為7.7×10e4cm2/Vs，但這些值是引用于未雜化的塊體半導(dǎo)體。在電學(xué)和化學(xué)雜化的器件中，石墨烯仍具有高的μ值，表現(xiàn)出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性，在300K時(shí)為0.3μm。

石墨烯具有室溫下的半整數(shù)量子霍爾效應(yīng)（QHE）。由電子和空穴共同參與的基態(tài)（N=0）導(dǎo)致石墨烯具有奇特的QHE，其霍爾電導(dǎo)率的位置出現(xiàn)在±4e2/h(N+1/2)處（其中N是朗道能級指數(shù)），即石墨烯具有半整數(shù)霍爾電導(dǎo)率σxy。Miller等利用掃描隧道顯微鏡（STM）研究了生長于SiC的石墨烯的不連續(xù)性和非等距朗道能級譜圖，包括石墨烯的特征基態(tài)。然而，非相互作用的狄拉克-費(fèi)米子的圖像更適合于在低能級激發(fā)態(tài)的石墨烯14，強(qiáng)的相互作用和組合效應(yīng)被預(yù)測在狄拉克點(diǎn)附近。最近，研究者們實(shí)驗(yàn)觀察了高質(zhì)量懸浮石墨烯的半整數(shù)QHE行為，并發(fā)現(xiàn)從低溫1.2K和低磁場2T升至溫度20K，磁場12T時(shí)半整數(shù)QHE是相當(dāng)穩(wěn)定的。

2光學(xué)性質(zhì)

從基礎(chǔ)科學(xué)及技術(shù)的角度出發(fā)，石墨烯的光學(xué)性質(zhì)令人期待。大量的實(shí)驗(yàn)研究表明從可見光到紅外光譜范圍內(nèi)，單層石墨烯僅具有2.3%的帶間吸收。僅在遠(yuǎn)紅外和紫外光譜內(nèi)觀測到偏離現(xiàn)象。此外，當(dāng)波長大于2.48μm時(shí)，多層石墨烯的吸光率是增加的，石墨烯與光之間有很強(qiáng)的相互作用。

石墨烯具有高導(dǎo)電率及光透射性，在太陽能電池、平板顯示器、觸摸屏和有機(jī)發(fā)光二級管等應(yīng)用領(lǐng)域?qū)?huì)成為一種極好的導(dǎo)電電極材料。目前，氧化銦錫（ITO）被廣泛應(yīng)用于這些領(lǐng)域。ITO具有小于100?/□的薄膜表面電阻率和90%的光透明度，但I(xiàn)TO的缺點(diǎn)是易碎且昂貴。因此，為了取代ITO，亟需通過穩(wěn)定的摻雜來增加大面積多層石墨烯的導(dǎo)電性。最近，文獻(xiàn)報(bào)道利用卷對卷技術(shù)，將HNO3化學(xué)摻雜于通過化學(xué)氣相沉積在銅上生長得到的石墨烯層，其薄膜表面電阻率低至30?/□，光透明度為90%，并被應(yīng)用于觸摸屏平板器件。

石墨烯除了線性光學(xué)性質(zhì)外，它的非線性光學(xué)性能也被發(fā)現(xiàn)。石墨烯具有寬的吸收范圍，因此是一個(gè)很好的飽和吸收體。盡管缺乏能帶隙，在光電探測器中石墨烯仍能作為有源元件。大量石墨烯光致激發(fā)產(chǎn)生的電子-空穴對能夠迅速再結(jié)合，同時(shí)產(chǎn)生一個(gè)純的光電流。這個(gè)效應(yīng)是石墨烯作為光電探測器的基礎(chǔ)。石墨烯的優(yōu)點(diǎn)包括一系列寬波長范圍的吸收、快速載流子運(yùn)輸及電子-空穴對具有非常高的遷移率都可應(yīng)用于光電探測器中。

3.力學(xué)性質(zhì)

根據(jù)理論計(jì)算，石墨烯是目前已知力學(xué)強(qiáng)度最高的材料。利用密度泛函微擾理論計(jì)算出石墨烯的彈性模量為1.05TPa。石墨烯裂斷強(qiáng)度是鋼的200倍，并利用原子力顯微鏡（AFM）納米壓痕技術(shù)測量出石墨烯堆垛層的楊氏模量為0.5TPa，彈簧常數(shù)為1-5N/m。利用同樣的方法，Lee等研究了單層無缺陷石墨烯的彈性張力-應(yīng)變響應(yīng)，測得剛度為300-400N/m，斷裂強(qiáng)度為42N/m，這是一個(gè)無缺陷薄層的固有強(qiáng)度。楊氏模量約為0.5-1.0TPa，這與大量石墨的測試結(jié)果非常接近。盡管，懸浮氧化石墨烯（GO）含有缺陷，但它卻保留了完整的機(jī)械性能，楊氏模量約為0.25TPa。這些數(shù)據(jù)結(jié)合相對廉價(jià)的薄層石墨及GO易于混合到高分子基體中的優(yōu)點(diǎn)，使石墨烯摻雜成為增強(qiáng)材料機(jī)械性能的理想途徑之一。

另一方面，具有高張力的單層石墨烯可作為最終的薄層材料應(yīng)用于納機(jī)電系統(tǒng)（NEMS），如壓力傳感器和共振器等領(lǐng)域。將機(jī)械剝落的單層和多層石墨烯固定于SiO2基底的溝槽里來制備基于石墨烯的納米電子機(jī)械系統(tǒng)。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)能夠被光或是電引發(fā)的基共振頻率在50-200MHz范圍內(nèi)，室溫下的電荷靈敏度低至8×10-4e/Hz1/2，真空度小于10-6torr的品質(zhì)因子為80。通過非傳統(tǒng)AFM技術(shù)的驅(qū)動(dòng)振動(dòng)模式原位成像表明，沉積于石墨烯上的初應(yīng)力的不均勻性導(dǎo)致了石墨烯邊緣的外在納米尺度振動(dòng)固有模式的最大振幅。懸浮石墨烯的張力和不可滲透性則為氣體傳感器的應(yīng)用提供了最有利的原子級厚度的支持膜。

4熱學(xué)性質(zhì)

石墨烯是一種熱學(xué)性質(zhì)穩(wěn)定的材料，這歸結(jié)于石墨烯在納米尺度上的微觀扭曲。

石墨烯的熱傳導(dǎo)系數(shù)k是由聲子輸運(yùn)主導(dǎo)的，包括在高溫下的擴(kuò)散傳導(dǎo)和在低溫下的彈道傳導(dǎo)。由于非摻雜石墨烯的載流密度相對較低，電子對導(dǎo)熱性（維德曼-夫蘭茲定律）的影響可以被忽略?；贕reen-Kubo方法的分子動(dòng)力學(xué)模擬表明，當(dāng)溫度T增加超過100K時(shí)，無缺陷石墨烯的熱傳導(dǎo)系數(shù)k與溫度T成反比（k∝1/T）。理論預(yù)測，室溫下單層懸浮石墨烯的熱傳導(dǎo)系數(shù)是6000W/mK，并且這個(gè)值要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于宏觀石墨材料的熱傳導(dǎo)系數(shù)?；贐oltzmann方程的理論計(jì)算預(yù)測，當(dāng)擴(kuò)散傳導(dǎo)主導(dǎo)熱傳導(dǎo)系數(shù)k時(shí)，k與石墨烯納米帶（GNRs）的寬度d及邊緣的粗糙程度有特定的關(guān)系。此外，人們利用非平衡分子動(dòng)力學(xué)研究了具有不同邊緣形狀的GNRs的k值與長度、寬度和張力的關(guān)系，表明GNRs熱傳導(dǎo)系數(shù)k與自身長度L的指數(shù)成正比（kL∝β），室溫下β在0.3-0.5之間變化。熱傳導(dǎo)系數(shù)與長度L的相關(guān)性表明，GNRs具有非常長的聲子平均自由路程。

最近，Balandin等利用非接觸光流技術(shù)測量拉曼（Raman）光譜中G帶位移的變化來獲得單層懸浮石墨烯片的熱傳導(dǎo)系數(shù)為5×103W/mK。在相對低的激光能量下，石墨烯G帶的紅移與樣品的溫度成線性關(guān)系。利用化學(xué)氣相沉積（CVD）生長的石墨烯沉積于孔狀的氮化硅薄膜，熱傳導(dǎo)系數(shù)為2.5×103W/mK（350K下）。Seol等報(bào)道沉積于SiO2基底上由微機(jī)械剝落得到的石墨烯的熱傳導(dǎo)系數(shù)是0.6×103W/mK，并高于金屬銅的熱傳導(dǎo)系數(shù)，但這個(gè)值低于由化學(xué)氣相沉積生長得到的懸浮石墨烯的k值，這主要是由于聲子泄漏橫跨石墨烯支撐界面和撓曲模式的強(qiáng)界面散射造成的。