1電子學性能
石墨烯獨特的電子結構決定了其優異的電子學性能。組成石墨烯的每個晶胞由兩個原子組成，產生兩個錐頂點K和Ko(見圖1)，相對應的每個布暈淵區均有能帶交叉的發生，在這些交叉點附近，電子能E取決于波矢量。單層石墨烯的電荷輸運可以模仿無質量的相對論性粒子，其蜂窩狀結構可以用2+1維的迪拉克方程描述。此外石墨烯是零帶隙半導體，具有獨特的載流子特性，并具有特殊的線性光譜特征，故單層石墨烯被認為其電子結構與傳統的金屬和半導體不
同．表現出非約束拋物線電子式分散關系。
圖1 單層石墨烯的電子結構示意
單層石墨烯表現出職極性電場效應，例如電荷可以存電子和空穴間連續調諧，所以在施加門電壓下室溫電子遷移率達到10000cm2/(Vs)，表現出室溫亞微米尺度的彈道傳輸特性(300K下可達0.3 um)，且受溫度和摻雜效應的影響很小。Novoselov等人觀察到石墨烯在低溫F的半整數量子霍爾相應，并通過石墨烯中的迪拉克點表現出非中斷等距階梯。石墨烯特有的能帶結構使空穴和電子相互分離，導致不規則量子霍爾效應的產生。利用單層石墨烯特有的電性能，由其所構成的微米級的傳感器可以探測出NH3,CO，H20及N02在石墨烯表面的吸附。
此外，Tombros等人研究了微米級下石墨烯中電子自旋和拉莫爾旋進，清楚觀察到電子的兩級自旋信號，井且自旋弛豫長度不依賴于電流密度。Heersehe等人在石墨烯上連接兩個電極，觀察到有超電流經過，證明了石墨烯具有超導特性。
2力學性能
石墨烯以sp2雜化軌道排列，6鍵賦予石墨烯具有極高的力學性能，碳纖維及碳納米極高的力學性能正是來自于其基本組成單元石墨烯所具有的高強度，高模量的特征。通過實驗可以制得獨立存在的單層石墨烯，這對于研究石墨烯的本征強度和模量有著重要意義。
圖2 原子力技術測量石墨烯薄膜示意圖。(A)石墨烯片層跨越孔洞的掃描電鏡照片，(B)石墨烯薄膜非接觸式原子力顯微鏡照片：(c)懸浮石墨烯薄膜的刻壓示意圖：(D)斷裂石墨烯的原子力顯微鏡照片。
哥倫比亞大學利用原子力顯微鏡測量了單層石墨烯膜的本征彈性模量和斷裂強度(如圖所示)：利用納米印刷法在硅基板上外延得到具有孔型圖案的二氧化硅層，使用光學顯微鏡找到位于孔洞上方的石墨烯片層，通過原位拉曼光譜得到石墨烯的層數，固定石墨烯后，再利用原子力顯微鏡的探針對其力學性能進行測量。由于在二維尺度下，缺陷對于本征力學性能影響較小，此法可以得到較為真實的力學性能信息。作者還發現由于應力應變反饋曲線超過本征斷裂應力，石墨烯表現出非線性彈性反饋，證實了這種非線性特征與三位彈性系數有關。通過這種測量方法可以得到石墨烯的本征強度和模量分別為125 GPa和1100 GPa，但是由于宏觀材料中缺陷及晶界的存在，其相應的實際強度和模量較低。
3熱學性能
加州大學的研究人員利用共焦顯微拉曼光譜中G峰頻率與激光能量的對應關系，測得硅/二氧化硅基板上的單層石墨烯的室溫熱導率。該熱導率在(4．84+0．44)x 103到(5．30 4-0．48)×103 W/(mK) 范圍內，并且單獨測量了石墨烯G峰的溫度系數。該實驗所得石墨烯的熱導率與單壁碳納米管，多壁碳納米管相比有明顯提高，表明石墨烯作為良好導熱材料具有巨大潛力。
4磁學性能
由于石墨烯鋸齒形邊緣擁有孤對電子，從而使得石墨烯具有包括鐵磁性及磁開關等潛在的磁性能。研究人員發現單氫化及雙氫化鋸齒狀邊的石墨烯具有鐵磁性。使用納米金剛石轉化法得到的石墨烯的泡利順磁磁化率或兀電子所具有的自旋順磁磁化率與石墨相比要高1-2個數量級。由三維厚度為3-4層石墨烯片無定形微區排列所夠成的納米活性碳纖維在不同熱處理溫度下，顯示出Cuire-Weiss行為，表明石墨烯的邊緣位具有局部磁矩。此外，通過對石墨烯不同方向的裁剪及化學改性可以對其磁性能進行調控。研究表明分子在石墨烯表面的物理吸附將改變其磁性能。例如氧的物理吸附增加石墨烯網絡結構的磁阻，位于石墨烯納米孔道內的鉀團簇將導致非磁性區域的出現。
