Elektronik özellikler
Grafenin en önemli özelliklerinden biri, çok yüksek elektriksel iletkenliğe sahip olmasıdır. Karbon atomlarının toplam 6 elektronu vardır; İç kabukta 2 ve dış kabukta 4. Tek bir karbon atomundaki 4 dış kabuk elektronu kimyasal bağlanma için kullanılabilir, ancak grafende her atom iki boyutlu düzlemde 3 diğer karbon atomuna bağlanır ve elektronik iletkenlik için üçüncü boyutta 1 elektron serbestçe kullanılabilir durumda kalır. Bu oldukça hareketli elektronlara pi (π) elektronları denir ve grafen tabakasının üstünde ve altında bulunur. Bu pi orbitalleri üst üste biner ve grafendeki karbon-karbon bağlarını güçlendirmeye yardımcı olur. Temel olarak, grafenin elektronik özellikleri, bu pi orbitallerinin bağlanması ve bağlanmasını önleme (değerlik ve iletim bantları) tarafından belirlenir.
Son 50 yılda yapılan birleşik araştırmalar, grafendeki Dirac noktasında elektronların ve deliklerin sıfır etkili kütleye sahip olduğunu kanıtladı. Bunun nedeni, enerji-hareket ilişkisinin Brillouin bölgesinin 6 ayrı köşesine yakın düşük enerjiler için doğrusal olmasıdır. Bu elektronlar ve delikler Dirac fermiyonları veya Graphinos olarak bilinir ve Brillouin bölgesinin 6 köşesi Dirac noktaları olarak bilinir. Bununla birlikte, Fermi seviyesi, örneğin oda sıcaklığında bakırdan potansiyel olarak daha iyi elektrik ileten bir malzeme oluşturmak için doplama (elektronlar veya deliklerle) ile değiştirilebilir.
Mekanik dayanım
Grafenin öne çıkan özelliklerinden bir diğeri de doğal gücüdür. 0,142 nm uzunluğundaki karbon bağlarının mukavemeti nedeniyle grafen, A36 yapısal çelik için 400 MPa’ya kıyasla 130 GPa’lık nihai gerilme mukavemeti ile şimdiye kadar keşfedilmiş en güçlü malzemedir. Grafen olağanüstü derecede güçlü olmakla kalmaz, aynı zamanda metrekare başına 0,77 miligram da çok hafiftir (karşılaştırma amacıyla 1 metrekare kâğıt kabaca 1000 kat daha ağırdır).
Grafenin aynı zamanda elastik özellikler içermesi ve zorlamadan sonra başlangıçtaki boyutunu koruyabilmesi onu en özel kılan şeydir. 2007 yılında, atomik kuvvet mikroskobik (AFM) testleri silikon dioksit boşlukları üzerindeki grafen levhalar üzerinde gerçekleştirildi. Bu testler, grafen levhalarının (2 ile 8 nm arasında kalınlığa sahip) 1-5 N/m aralığında yay sabitlerine ve 0,5 TPa Young modülüne sahip olduğunu gösterdi.
Optik özellikler
Grafenin beyaz ışığın oldukça büyük % 2,3’ünü absorbe etme yeteneği de benzersiz ve ilginç bir özelliktir, özellikle de yalnızca 1 atom kalınlığında olduğu düşünüldüğünde. Bunun nedeni, çok yüksek hareket kabiliyetine sahip kütlesiz yük taşıyıcıları gibi davranan elektronlardır. Başka bir grafen tabakası eklemek, emilen beyaz ışık miktarını yaklaşık olarak aynı değerde (% 2,3) artırır.