1电子学性能
石墨烯独特的电子结构决定了其优异的电子学性能。组成石墨烯的每个晶胞由两个原子组成，产生两个锥顶点K和Ko(见图1)，相对应的每个布晕渊区均有能带交叉的发生，在这些交叉点附近，电子能E取决于波矢量。单层石墨烯的电荷输运可以模仿无质量的相对论性粒子，其蜂窝状结构可以用2+1维的迪拉克方程描述。此外石墨烯是零带隙半导体，具有独特的载流子特性，并具有特殊的线性光谱特征，故单层石墨烯被认为其电子结构与传统的金属和半导体不
同．表现出非约束抛物线电子式分散关系。
图1 单层石墨烯的电子结构示意
单层石墨烯表现出职极性电场效应，例如电荷可以存电子和空穴间连续调谐，所以在施加门电压下室温电子迁移率达到10000cm2/(Vs)，表现出室温亚微米尺度的弹道传输特性(300K下可达0.3 um)，且受温度和掺杂效应的影响很小。Novoselov等人观察到石墨烯在低温F的半整数量子霍尔相应，并通过石墨烯中的迪拉克点表现出非中断等距阶梯。石墨烯特有的能带结构使空穴和电子相互分离，导致不规则量子霍尔效应的产生。利用单层石墨烯特有的电性能，由其所构成的微米级的传感器可以探测出NH3,CO，H20及N02在石墨烯表面的吸附。
此外，Tombros等人研究了微米级下石墨烯中电子自旋和拉莫尔旋进，清楚观察到电子的两级自旋信号，井且自旋弛豫长度不依赖于电流密度。Heersehe等人在石墨烯上连接两个电极，观察到有超电流经过，证明了石墨烯具有超导特性。
2力学性能
石墨烯以sp2杂化轨道排列，6键赋予石墨烯具有极高的力学性能，碳纤维及碳纳米极高的力学性能正是来自于其基本组成单元石墨烯所具有的高强度，高模量的特征。通过实验可以制得独立存在的单层石墨烯，这对于研究石墨烯的本征强度和模量有着重要意义。
图2 原子力技术测量石墨烯薄膜示意图。(A)石墨烯片层跨越孔洞的扫描电镜照片，(B)石墨烯薄膜非接触式原子力显微镜照片：(c)悬浮石墨烯薄膜的刻压示意图：(D)断裂石墨烯的原子力显微镜照片。
哥伦比亚大学利用原子力显微镜测量了单层石墨烯膜的本征弹性模量和断裂强度(如图所示)：利用纳米印刷法在硅基板上外延得到具有孔型图案的二氧化硅层，使用光学显微镜找到位于孔洞上方的石墨烯片层，通过原位拉曼光谱得到石墨烯的层数，固定石墨烯后，再利用原子力显微镜的探针对其力学性能进行测量。由于在二维尺度下，缺陷对于本征力学性能影响较小，此法可以得到较为真实的力学性能信息。作者还发现由于应力应变反馈曲线超过本征断裂应力，石墨烯表现出非线性弹性反馈，证实了这种非线性特征与三位弹性系数有关。通过这种测量方法可以得到石墨烯的本征强度和模量分别为125 GPa和1100 GPa，但是由于宏观材料中缺陷及晶界的存在，其相应的实际强度和模量较低。
3热学性能
加州大学的研究人员利用共焦显微拉曼光谱中G峰频率与激光能量的对应关系，测得硅/二氧化硅基板上的单层石墨烯的室温热导率。该热导率在(4．84+0．44)x 103到(5．30 4-0．48)×103 W/(mK) 范围内，并且单独测量了石墨烯G峰的温度系数。该实验所得石墨烯的热导率与单壁碳纳米管，多壁碳纳米管相比有明显提高，表明石墨烯作为良好导热材料具有巨大潜力。
4磁学性能
由于石墨烯锯齿形边缘拥有孤对电子，从而使得石墨烯具有包括铁磁性及磁开关等潜在的磁性能。研究人员发现单氢化及双氢化锯齿状边的石墨烯具有铁磁性。使用纳米金刚石转化法得到的石墨烯的泡利顺磁磁化率或兀电子所具有的自旋顺磁磁化率与石墨相比要高1-2个数量级。由三维厚度为3-4层石墨烯片无定形微区排列所够成的纳米活性碳纤维在不同热处理温度下，显示出Cuire-Weiss行为，表明石墨烯的边缘位具有局部磁矩。此外，通过对石墨烯不同方向的裁剪及化学改性可以对其磁性能进行调控。研究表明分子在石墨烯表面的物理吸附将改变其磁性能。例如氧的物理吸附增加石墨烯网络结构的磁阻，位于石墨烯纳米孔道内的钾团簇将导致非磁性区域的出现。
