1 石墨烯的結構
石墨烯是一種由碳原子以sp2雜化軌道組成六角型呈蜂巢狀晶格的平面薄膜，是一種只有一個原子層厚度的二維材料。 如圖所示，石墨烯的原胞由晶格矢量a1 和a2定義，每 個原胞內有兩個原子，分別位于A和B的晶格上。 C原子外層 3 個電子通過sp2雜化形成強σ鍵（藍）， 相鄰兩個鍵之間的夾角 120°，第 4 個電子為公共，形成弱π鍵（紫）。石墨烯的碳-碳鍵長約為 0.142 nm，每個晶格內有三個σ鍵，連接十分牢固，形成了穩定的六邊形。垂直于晶面方向上的π鍵在石墨烯導電過程中起了很大作用。
石墨烯是富勒烯、碳納米管、石墨的基本組成單元，可以被視為無限大的芳香族分子。形象來說，石墨烯是由單層碳原子緊密堆積成的二維蜂巢狀的晶格結構，看上去就像由六邊形網格構成的平面。每個碳原子通過sp2雜化與周圍碳原子構成正六邊形，每一個六邊形單元實際上類似一個苯環，每一個碳原子都貢獻一個未成鍵的電子，單層石墨烯的厚度僅為 0.335 nm，約為頭發絲直徑的二十萬分之一。石墨烯的結構非常穩定，碳原子之間的連接十分柔韌。受到外力時，碳原子平面發生彎曲變形時，碳原子不必重新排列來適應外力，從而保證了自身結構穩定性。
（ a）石墨烯中碳原子的成鍵形式 （ b）石墨烯的晶體結構
2 石墨烯的特性
作為理想的二維晶體材料，石墨烯呈現諸多神奇的物理特性。其中研究最為廣泛的是電學性質。圖 1展示了石墨烯能帶結構，石墨烯電子的能量與動量呈線性關系，即石墨烯的價帶和導帶線性相交于布里淵區 K(K’)點， 呈現零帶隙半金屬特征。位于 K(K’) 點附近的電子不再遵循傳統的薛定諤方程，只能由類 Dirac 方程描述，故稱 K(K’)點為狄拉克點。在 K 點附近，電子的靜止有效質量為零，其運動速度高達 106 m/s，是光速的 1/300，呈現相對論的特性。石墨烯獨特的載流子特性和無質量的狄拉克費米子屬性使其能夠在室溫下觀測到霍爾效應和異常的半整數量子霍爾效應 。另外，由于原子間作用力非常強，在常溫下，即使周圍碳原子發生擠壓，石墨烯中的電子受到的干擾也很小。電子在石墨烯中傳輸時不易發生散射，遷移率可達 2 × 105 cm2/V·s，約為硅中電子遷移率的 140 倍，其電導率可達 106 S/m, 面電阻約為 30 ? /□，比銅或銀更低，是室溫下導電最好的材料。
石墨烯能帶結構
石墨烯除了具有優異的電學特性，還具有獨特的光學性能。理論和實驗的研究表明，單層石墨烯對光的吸收率僅為2.3%。由于能帶間隙的限制，常用的化合物半導體，比如 GaAs、 AlGaAs、 InGaAs 等，它們的吸收帶一般被限制在可見光和近紅外波段，由于石墨烯導帶和價帶相交的零帶隙獨特結構，理論上石墨烯對任何波長都有吸收作用。另外，當入射光的強度超過某一臨界值時，石墨烯對其的吸收會達到飽和，這一非線性光學行為稱為可飽和吸收。利用石墨烯的可飽和吸收特性，可將其應用于激光的鎖模技術領域，對激光的脈沖寬度進行壓縮，實現超快激光的輸出。由于零能隙結構，石墨烯可以對所有波波段的光無選擇性吸收，因此，用石墨烯制備成的可飽和吸收體能夠實現全頻帶鎖模。由于這些特殊性質，石墨烯在超快光子學領域有廣泛的應用空間。
此外，石墨烯還具有優異的力學和熱學等性能。石墨烯是人類已知強度最高的物質， 其抗拉強度和彈性模量分別為 125 GPa和 1.1TPa, 可抵抗 18.7%的拉伸應力。石墨烯的楊氏模量為~42 N/m2，面積為 1 m2 的石墨烯層片可承受 4 kg 的質量，其強度約為普通鋼的 100 倍。石墨烯的室溫導熱率約為 5×103 W/m·K，高于碳納米管和金剛石，是室溫
下銅的導熱率（401 W/mK）的 10 倍多。另外，石墨烯具有 2630 m2/g超大的比表面積，用石墨烯制成的微傳感器可以感應單個原子或分子，當分子附著或脫離石墨烯表面時，吸附的分子改變了石墨烯局部載流子濃度，導致電阻發生階躍式變化。利用這一特性可用于制作各種類型的傳感器。
