碳纳米材料简介
纳米碳材料的特性及应用
纳米碳材料的特性及应用纳米碳材料是指由碳原子组成的材料，在纳米尺度下具有特殊的物理、化学和电子性质。
常见的纳米碳材料包括纳米管、纳米颗粒和石墨烯等。
纳米碳材料具有以下特性：1. 巨大的比表面积：纳米碳材料具有极高的比表面积，使其具有优异的吸附性能和催化性能。
比表面积的增大有助于提高材料的活性。
2. 准一维或二维结构：纳米碳材料常常具有准一维或二维结构，例如碳纳米管是一种具有管状结构的材料，石墨烯是一种单层碳原子排列成二维平面结构的材料。
这种结构使纳米碳材料具有特殊的电子和光学性质。
3. 高导电性和高机械强度：纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度。
其中，碳纳米管具有优异的导电性和力学性能，是一种理想的导电材料。
石墨烯也具有较高的导电性和机械强度，具有广泛的应用前景。
4. 优异的光学特性：纳米碳材料具有优异的光学特性，例如碳纳米管具有独特的吸收和发射光谱特性，可以应用于光电器件和生物标记。
纳米碳材料在许多领域具有广泛的应用，包括以下几个方面：1. 电子学应用：由于纳米碳材料具有优异的导电性和机械强度，常用于制备导电材料和电子器件。
碳纳米管和石墨烯等纳米材料可用于制备柔性电子器件、场发射材料和导电粘合剂等。
2. 催化应用：纳米碳材料具有较大的比表面积和良好的催化性能，可用作催化材料。
纳米碳材料在催化剂的设计和开发中起到重要的作用，特别是碳纳米管在应用于催化反应中具有较高的活性和选择性。
3. 吸附材料：纳米碳材料具有巨大的比表面积和优异的吸附性能，可用作吸附剂。
纳米碳材料对有机物质和重金属离子等具有良好吸附能力，可应用于环境污染物的吸附和处理。
4. 生物医学应用：纳米碳材料在生物医学领域具有广泛的应用。
纳米碳材料具有较好的生物相容性和生物活性，可以用于生物传感器、药物传递、组织工程和生物成像等方面。
5. 能源存储和转换：纳米碳材料在能源领域具有重要的应用价值。
碳纳米管和石墨烯等纳米材料具有较高的电导率，可用于制备电池电极材料、超级电容器和燃料电池等。
碳纳米管材料
碳纳米管材料碳纳米管材料是一种由碳原子排列成管状结构的纳米材料。
它的主要特点是具有极高的强度、优异的导电性和良好的导热性。
碳纳米管被广泛研究和应用于各个领域，如电子器件、能源储存、纳米传感器等。
首先，碳纳米管具有极高的强度和韧性。
由于碳原子的键结构，碳纳米管能够承受很高的应力。
研究表明，碳纳米管的抗拉强度可以达到几十倍于钢铁的强度。
这使得碳纳米管成为一种理想的结构材料，可以用于制造轻质、高强度的航空航天材料和复合材料。
其次，碳纳米管具有优异的导电性。
由于碳原子的p轨道与π结合，碳纳米管可以形成导电路径，使得电子在材料中能够快速传导。
碳纳米管的电导率可以达到金属的数倍。
这使得碳纳米管成为一种理想的电子器件材料，如场效应晶体管、电磁屏蔽材料等。
此外，碳纳米管还具有良好的导热性。
由于碳纳米管具有纳米尺度的空洞结构，使得热量能够在管状结构中快速传播。
研究表明，碳纳米管的导热性能可以达到金属的数倍，甚至具有超越钻石的导热性能。
这使得碳纳米管在热管理领域具有巨大的潜力，如高效散热材料、热界面材料等。
除此之外，碳纳米管还具有许多其他特殊的性质和应用。
例如，碳纳米管可以吸附和储存气体，用于气体分离和气体传感器。
碳纳米管还可以用于催化反应，由于其特殊的表面性质和活性位点，对于某些化学反应具有良好的催化效果。
此外，碳纳米管还可以用于生物传感器和纳米医药领域，用于检测和治疗疾病。
总之，碳纳米管作为一种新型纳米材料，具有极高的强度、优异的导电性和导热性，以及许多其他特殊的性质和应用。
随着对碳纳米管的深入研究和开发利用，相信它将在未来的科技领域有更广泛的应用。
碳纳米管是什么材料
碳纳米管是什么材料碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料。
它们具有独特的结构和特性，在材料科学和纳米技术领域引起了广泛的关注和研究。
碳纳米管可以是单壁碳纳米管（SWNT）或多壁碳纳米管（MWNT）。
在单壁碳纳米管中，碳原子以只有一个碳原子厚度的碳层形成管状结构，而在多壁碳纳米管中，形成了多层碳管。
碳纳米管具有许多独特的物理和化学性质，使其成为多个领域的研究热点。
首先，碳纳米管具有优异的力学性能。
由于碳原子之间的强共价键，碳纳米管具有很高的强度和刚度。
尽管碳纳米管的直径非常小，但它们可以以惊人的强度抵抗拉伸和压缩。
这使得碳纳米管成为可能的材料选择，用于构建轻型和高强度材料。
其次，碳纳米管具有优异的导电性能。
碳纳米管的导电性与其结构有关。
SWNT是从一个单一的碳层卷曲而成，因此具有较高的导电性，甚至可以比铜更好。
MWNT由多层碳管组成，导电性较差，但仍然较高。
这种优良的导电性使得碳纳米管成为纳米电子器件的重要组成部分，如场效应晶体管和纳米线。
此外，碳纳米管还具有出色的热导性。
由于碳纳米管的结构，热能可以在其结构的纵向方向上快速传导，而横向方向上的传导受到限制。
这使得碳纳米管成为制造高效热界面材料的理想选择，用于提高电子器件和热管理系统的散热性能。
碳纳米管还具有很强的化学稳定性和抗腐蚀性。
由于碳纳米管是由碳原子构成的，它们对大多数化学物质都具有良好的抗腐蚀性。
这种化学稳定性使得碳纳米管能够在极端的环境条件下使用，例如高温和酸碱溶液中。
由于碳纳米管具有独特的结构和性质，它们在许多领域都有着广泛的应用。
在材料领域，碳纳米管被用于制造复合材料、纳米增强材料和高性能纤维。
碳纳米管还被应用于电子领域，包括纳米电池、电子器件和传感器。
此外，碳纳米管还用于生物医学领域，如药物传递和生物传感器。
然而，尽管碳纳米管在许多领域都有着广泛的应用前景和潜力，但其大规模生产和应用仍然面临许多挑战。
首先，碳纳米管制备方法的成本较高，限制了其商业化应用。
碳纳米管材料的介绍
碳纳米管材料的介绍碳纳米管是一种由碳原子构成的纳米材料，具有许多独特的性质和应用潜力。
它的发现引起了科学界的广泛关注和研究。
碳纳米管具有极高的强度和刚度。
由于碳原子之间的键合非常强大，碳纳米管能够承受很大的拉伸力和压缩力，使其具有很强的抗弯曲性能。
这使得碳纳米管成为一种理想的材料，用于制造轻巧但坚固的结构，如飞机和汽车部件。
碳纳米管具有优异的导电性和导热性。
碳纳米管内部存在着一维的碳原子排列，使得电子在其内部能够自由传输，形成了高效的电子输运通道。
因此，碳纳米管被广泛应用于电子器件领域，如晶体管和纳米电线等。
同时，碳纳米管还具有良好的热导性能，使其成为制造高效散热器和热电材料的理想选择。
碳纳米管还具有丰富的表面化学活性和高比表面积。
碳纳米管的表面可以通过化学修饰来引入不同的功能团，从而赋予其特定的化学性质和应用功能。
例如，通过在碳纳米管表面引入亲水性团体，可以制备出具有优异吸附能力的纳米过滤器。
而碳纳米管的高比表面积则使其成为一种理想的催化剂载体，可用于提高化学反应的效率和选择性。
碳纳米管还具有良好的光学性能和生物相容性。
由于碳纳米管具有一维结构，使得它们能够吸收和发射可见光和红外光。
这使得碳纳米管在光学传感器和光电器件领域具有广泛的应用前景。
此外，碳纳米管还具有良好的生物相容性，可以用于生物医学领域，如药物传递和组织工程等。
碳纳米管具有多种优异的性质和应用潜力，使其在材料科学、电子学、化学和生物医学等领域具有广泛的应用前景。
随着对碳纳米管性质和制备方法的深入研究，相信碳纳米管将会在未来的科技发展中发挥更加重要的作用。
碳纳米管复合材料
碳纳米管复合材料
碳纳米管（Carbon Nanotubes，简称CNTs）是一种由碳原子构成的纳米级管状结构材料，因其独特的物理和化学性质，被广泛应用于复合材料领域。
碳纳米管复合材料是将碳纳米管与其他材料复合而成的新型材料，具有轻质、高强度、高导电性、高导热性等优异特性，被广泛应用于航空航天、汽车制造、电子设备等领域。
首先，碳纳米管复合材料在航空航天领域具有重要应用。
由于碳纳米管本身具有极高的强度和刚度，将其与航空用树脂复合，可以显著提高航空器的强度和耐久性。
同时，碳纳米管复合材料的导电性和导热性也使其成为航空器的理想材料，可以用于制造飞机的航空电子设备外壳和导热结构件。
其次，碳纳米管复合材料在汽车制造领域也有着重要的应用前景。
汽车是碳纳米管复合材料的重要应用领域之一，由于碳纳米管具有轻质高强度的特性，可以显著降低汽车的整体重量，提高汽车的燃油经济性和性能。
同时，碳纳米管复合材料的高导电性也可以应用于汽车的电子设备和充电设备的制造，提高汽车的智能化水平。
此外，碳纳米管复合材料在电子设备领域也有着广泛的应用。
由于碳纳米管具有优异的导电性和导热性，可以用于制造高性能的电子元件，如场效应管、薄膜晶体管等。
同时，碳纳米管复合材料还可以用于制造柔性电子设备，如可穿戴设备、柔性显示屏等，为电子设备的发展带来新的可能性。
总的来说，碳纳米管复合材料以其独特的优异性能，在航空航天、汽车制造、电子设备等领域具有广泛的应用前景。
随着科技的不断发展，相信碳纳米管复合材料将会在更多领域展现出其巨大的潜力，为人类社会的发展进步做出更大的贡献。
碳纳米材料简介
碳纳米材料简介第一章碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。
尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。
碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。
它存在三种同位素：12C、13C、14C。
碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。
如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。
碳纳米材料富勒烯富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。
1985年，Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C60。
这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。
C60由60个原子组成，包含20个六元环和12个五元环。
这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。
从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。
C60的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。
由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1）表1-1 C60的一些基本物理和化学性质形态密度电阻率相变温度溶解性化学特性范德华直径毒性黑色固体 1.65g/cm3 4.5*103Ω·cm 800℃升华可溶于常见有机溶剂具有芳香性、多烯特性及优良的电化学特性 1.1nm 无毒碳纳米管碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。
新材料科学中的碳纳米管材料
新材料科学中的碳纳米管材料碳纳米管是一种由碳原子构成的管状结构，在新材料科学中具有重要的应用价值。
碳纳米管的特殊结构使得它具有许多独特的性质和优异的物理化学性能，有着广泛的应用范围和前景。
一、基本介绍碳纳米管是一种类似于石墨烯的碳材料，其结构是由碳原子构成的具有管状形态的微观结构。
碳纳米管的直径在纳米级别，一般为1纳米到50纳米之间。
它的长度可以是数十微米到数百微米，甚至可以达到数厘米以上。
碳纳米管具有很多独特的性质，比如强度高、导电性好、导热性好、化学稳定性强等等。
这些性质决定了碳纳米管可以广泛应用于电子、机械、光学、化学等领域。
二、应用领域1.电子领域在电子领域中，碳纳米管作为一种新型的半导体材料，具有很多优异的性质，如高电导率、高耐电压性、超短开关时间等。
这些特点使得碳纳米管可以广泛应用于晶体管、场效应晶体管、逆变器、传感器等电子器件中。
2.机械领域在机械领域中，碳纳米管有着很高的强度和韧性，可以被用于制作高强度的机械零部件。
例如，碳纳米管可以制成强度高、重量轻、耐磨损的轮胎、杆、桥梁等。
此外，碳纳米管还可以制成高性能的自行车、汽车、飞机等机械设备。
3.光学领域在光学领域中，碳纳米管可以制成具有高透明度和高导电性的薄膜，可以被应用于太阳能电池板、智能窗等光学器件中。
4.化学领域在化学领域中，碳纳米管可以被用作催化剂、吸附剂和分离材料。
例如，碳纳米管可以被用来催化氢气的产生和净化工业废气。
此外，碳纳米管还可以被用来制备高效的分离膜，用于饮用水的净化。
三、未来发展趋势由于碳纳米管具有独特的物理化学性质，有着广泛的应用前景，因此在近年来得到了广泛的关注。
未来，碳纳米管的发展将主要集中在以下几个方面：1.化学合成方法的改进当前，碳纳米管的主要制备方法是电弧放电法、激光热解法和化学气相沉积法。
然而这些方法存在制备成本高、质量不稳定、难于大规模制备等问题。
因此，未来的发展方向是改进或发展出更简单、更可控性强、更可扩展的制备方法，以适应未来碳纳米管的大规模制备需求。
碳基纳米材料
碳基纳米材料
碳基纳米材料是一类具有特殊结构和性能的纳米材料，由碳元素组成，具有独
特的电学、光学、热学和力学性质。
碳基纳米材料包括碳纳米管、石墨烯、碳纳米片等，它们在材料科学、纳米科技、电子学、光电子学等领域具有广泛的应用前景。
首先，碳纳米管是一种空心圆柱形结构的碳纳米材料，具有优异的导电性、热
导率和力学性能。
碳纳米管可以用于制备导电材料、增强材料、传感器、储能材料等。
其独特的结构和性能使其在纳米材料领域具有重要的应用前景。
其次，石墨烯是一种由单层碳原子按照六角形排列而成的二维材料，具有优异
的导电性、热导率和机械强度。
石墨烯可以用于制备柔性电子器件、透明导电薄膜、超级电容器、锂离子电池等。
其独特的二维结构和优异的性能使其成为纳米材料领域的研究热点。
最后，碳纳米片是一种由多层石墨烯片层堆积而成的纳米材料，具有介于石墨
烯和石墨之间的性质。
碳纳米片可以用于制备导电材料、阻燃材料、复合材料等。
其特殊的结构和性能使其在材料科学和工程领域具有广泛的应用前景。
总之，碳基纳米材料具有独特的结构和性能，具有广泛的应用前景。
随着纳米
科技的不断发展和进步，碳基纳米材料将会在材料科学、电子学、光电子学等领域发挥重要作用，推动科技创新和产业发展。
希望通过对碳基纳米材料的研究和应用，能够为人类社会的可持续发展做出更大的贡献。
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第一章碳纳米材料简介碳元素碳在元素周期表中排第六位，是自然界分布非常广泛的元素，也是目前最重要、最使人着迷的元素之一。
尽管它在地壳中含量仅为0.027%，但是对一切生物体而言，它是最重要且含量最多的元素，人体中碳元素约占总质量的18%。
碳元素是元素周期表中ⅣA族中最轻的元素。
它存在三种同位素：12C、13C、14C。
碳单质有多重同素异形体，他是迄今为止人类发现的唯一一种可以从零围到三维都稳定存在的物质。
如零维的富勒烯（fullerenes），一维的碳纳米管（carbon nanotubes），二维的石墨烯（graphene），三维的金刚石（diamond）和石墨（graphite）等。
碳纳米材料富勒烯富勒烯是指完全由碳原子组成的具有空心球状或管状结构的分子。
1985年，Kroto，Smalley和Curl在美国莱斯大学发现了第一个富勒烯分子——C60。
这一发现使得他们赢得了1996年的诺贝尔化学奖。
C60由60个原子组成，包含20个六元环和12个五元环。
这些环平面堆积在一起的方式和足球的表面结构一样，因此也也被称为足球烯。
从那以后，不同分子质量和尺寸的富勒烯纷纷被制备出来。
C60的发现和研究开启了对碳元素和碳纳米材料广泛、深入研究的新时代，对纳米材料科学和技术的发展起到了极大的推动作用。
由于其独特的结构，富勒烯同时具有芳香化合物和缺电子烯烃的性质，表现出很多优良的物理和化学性质（表1-1）表1-1 C60的一些基本物理和化学性质碳纳米管碳纳米管（carbon nanotubes）是由碳原子形成的管状结构分子，包括单壁碳纳米管（single-walled carbon nanotubes,SWNTs）和多壁碳纳米管（multi-walled carbon nanotubes，MWNTs）。
其直径从几百皮米到几十纳米，而长径比可以上万。
碳纳米管是前最重要的一维纳米材料之一。
虽然对碳纳米管发现的确切时间存在争议，但公认碳纳米管从1991年才引起了科学界的广泛兴趣。
1991年日本的Iijima在研究富勒烯的制备过程中由于电弧产物中发现了多壁碳纳米管，并利用透射电镜证实了它的存在。
随后在1993年，他又发现了单壁碳纳米管，与此同时，Bethune等也独立观察到了单壁碳纳米管。
单壁碳纳米管可看成是由一层石墨烯沿一定角度卷曲而成的管状结构（图1-1）。
根据卷曲角度的不同，可以形成具有不同手性和直径的碳纳米管，因此常用两个整数（n,m）表征单壁碳纳米管的结构。
当m=0时，该类单壁碳纳米管被称为锯齿形（zigzag）单壁碳纳米管；当n=m时，该类单壁碳纳米管被称为扶手椅形（armchair）单壁碳纳米管；其他的均被称为手性（chiral）碳纳米管。
单壁碳纳米管的直径可以通过两个指数算出来。
图1-1 单壁碳纳米管结构示意图由于其特殊的结构，碳纳米管具有许多优良的性质。
从电学性质来看，碳纳米管可分为金属型（metallic，带隙为零）和半导体型（semiconducting，带隙可达2eV）。
单壁碳纳米管的一些重要性质如表1-2。
表1-2 单壁碳纳米管的一些重要性质石墨烯石墨烯是碳的二维同素异形体，虽然它在理论上很早就被关注，也很早被制备出来，但真正的广泛研究却始于2004年。
曼彻斯特大学的Geim和Novoselov 首次利用简单的胶带粘揭的方法（Scotch taping）获得了近乎完美和自由状态的石墨烯，并观察到了其前所未有的电学性质。
两人因此荣获2010年的诺贝尔物理学奖。
石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件。
如图1-2所示，多层石墨烯的堆叠可构成三维的石墨，石墨烯卷曲成环可构成一维的碳纳米管，具有一定形状的石墨烯缠绕闭合可构成零维富勒烯。
因此，石墨烯这种最新发现的碳的同素异形体一直是众多早期理论研究的对象，而早期相关的实验工作大部分局限于石墨插层化合物和石墨氧化物。
从化学结构来看，碳的这几种同素异形体，富勒烯、碳纳米管和石墨烯，均由sp2杂化碳原子组成，是具有很大π电子共轭体系的芳香化合物。
然而在此之前，尚没有任何一种材料能够像石墨烯一样，同时具有惊人的迁移率、显著的室温霍尔效应、稳定的狄拉克电子结构、媲美ITO的透光性、超高的机械强度和热导率等众多诱人的性质。
图1-2 石墨烯是构成碳元素其他几种重要同素异形体的基本组件第二章石墨烯的发现、基本结构和性质石墨烯的发现和历史石墨烯是由一层碳原子构成的二维碳纳米材料。
根据严格意义上的二维原子晶体理论，热力学上严格和独立的二维原子晶体是不稳定的，但是准二维（quaitwo dimension）原子晶体材料，即具有褶皱的或附着在其他基底上的二维材料是可以存在的。
2004年Geim等获得的石墨烯就属于上述准二维原子晶体材料。
石墨烯(graphene)这个术语早在2004年之前就已被使用。
1986年，Boehm 等首先给出了“graphene”的定义：“The term graphene layer should be used for such a single carbon layer”。
1997年，IUPAC明确定义“graphene”：“The term graphene should be used only when the reactions，structural relations or other properties of individual layers are discussed”。
目前，中文相应的定义还有待明确和标准化。
20世纪60—70年代，有关石墨烯的研究主要分3个方面：①理论研究；②关于石墨插层（graphite intercalation compound）和石墨氧化物(graphite oxide)在化学和材料方面的研究；③利用显微镜电镜等对碳薄膜材料的研究。
80—90年代由于富勒烯和碳纳米管的发现，人们开始对各种潜在的碳同素异形体进行大规模的探索。
这期间，人们获得了数纳米厚的（几十层）的石墨片（nanoflake）。
严格意义上的石墨烯，即单原子厚度的石墨烯的发现应归功于Geim团队在2004年利用极其简单的taping方法获得的成果。
他们不仅获得了近乎完美的石墨烯，更重要的是他们观察到了石墨烯这一系列前所未有的电学性质。
石墨烯优良性质的发现掀起了科学家继富勒烯和碳纳米管之后对碳同素异形体材料探索研究的第三次浪潮。
石墨烯的基本结构和性质石墨烯的原子排列与石墨的单原子层相同，是碳原子sp2杂化轨道按蜂巢晶格排列构成的单层二维晶体。
石墨烯可想象为由碳原子和其共价键所形成的原子尺寸网。
石墨烯的命名来自英文的graphite(石墨)+ene（烃类词尾），因此，石墨烯被认为是平面多环芳香烃原子晶体。
石墨烯是由sp2碳原子以蜂巢晶格构成的二维单原子层结构。
每个碳原子周围有3个碳原子成键，C—C键长1.42Å，键角120°；每个碳原子以3个sp2杂化轨道和邻近的3个碳原子形成3个σ键，剩下的1个p轨道和邻近的其他碳原子一起形成共轭体系，每个碳原子贡献1个P电子。
因此，石墨烯的C—C骨架由σ键参与构成，在这个骨架的上下分布有成对的电子云，这种成键形式和苯环的成键模式完全一样，因此石墨烯也可看成是一个巨大的稠环芳烃，这一认识对理解石墨烯的特殊性质和材料性能十分重要。
值得注意的是，虽然石墨烯是其他碳的同素异形体的基本构成单元，但和富勒烯及碳纳米管的成键方式仍有重要不同。
在石墨烯以及石墨中，每个C—C键角都小于120°，C—C键存在一定的力，因此富勒烯和碳纳米管中碳原子的化学活性要大于石墨烯中的碳原子。
石墨烯的特殊结构决定了其独特的性质。
从分子层面上考虑，石墨烯中碳原子的许多性质和苯环上的碳原子有类似之处，然而由于石墨烯由无数个六元环构成，并且其边缘氢原子对分子贡献远小于苯环，因此其许多性质又有所不同；从宏观层面看，石墨烯就是单层石墨，它的边缘性质和石墨有一定程度上的类似。
因此，石墨烯同时具有部分稠环芳烃和石墨的化学性质。
石墨烯碳骨架周围丰富的电子云导致其很容易进行π-π堆积，形成多层的石墨结构，石墨烯众多优良的物理性质是从这一特殊结构获得的。
表2-1总结了石墨烯的本征性质，下面将逐个简单介绍。
表2-1 石墨烯物理性质总结石墨烯的电子性质和能带结构石墨烯最令人惊奇的是其非常特殊的电子（电学）性质。
和其他绝大多数二维材料不同，它是一个零带隙半导体，该性质取决于其特殊的能带结构。
理想石墨烯的能带结构是完全对称的锥形价带（valence band）和导带（conduction band）对称的的分布在费米能级（Fermi level）上下，导带和价带的交叉点即为狄拉克点（Dirac point）(图2-1)。
和普通金属或半导体不同，石墨烯中电子不遵循薛定谔方程，而是遵循狄拉克方程。
这是因为：①每一个C—C键都有一个成键轨道和反键轨道，且以C—C键为平面完全对称；②整个石墨烯分子结构中的每个π键相互共轭形成了巨大的共轭大π键，电子或空穴在如此巨大的共轭体系中可以以很高的电子费米速率（v F≈106m·s-1）移动，表现出零质量行为，从根本上说，石墨烯中许多电子行为类似于二维电子气，质量只有自由电子的1/10。
图2-1单层石墨烯的能带示意图电荷传输性质由于上述特性，石墨烯中的载流子（也称为狄拉克费米子）具有非同一般的传输性能。
载流子可以以近乎光速的速度移动，因此石墨烯具有很高的电荷迁移率。
实验表明，石墨烯室温下具有大于15 000 cm2·V-1·s-1的载离子迁移率，该迁移率基本不受温度影响，且高达200 000cm2·V-1·s-1，其相对应的电阻率为10-6 Ω·㎝，使石墨烯成为目前已知物质中室温电阻率最低的材料。
除了超低的电阻率外，石墨烯还具有突出的电子性质，包括室温霍尔效应和自旋传输性质。
量子霍尔效应使石墨烯在量子储存和计算、标准电阻及其他基本物理常数的准确测量等方面具有重要的意义。
而得益于石墨烯中碳原子的自旋和轨道动量之间很小的相互作用，石墨烯上的自旋特性可传递超过微米。
因此，目前石墨烯被视为一种理想的自旋材料，自旋电子器件有可能成为下一代基础电子元器件，因而近年来备受关注。
石墨烯的光学性质根据理论推算，石墨烯具有令人惊奇的光学性质，即单层石墨烯对可见光约有3.2%的吸收，该性质来源于石墨烯的电子能带结构。
实验证实的石墨烯不透明度为2.3%，在层数不多的情况下，寡层石墨烯的透光性可简单地用（1-0.023n）×100%表示（n为层数）。
石墨烯还表现出很好的非线性光学吸收特性，即当强烈的光照射石墨烯时，石墨烯对可见和红外等波段的光具有良好的吸收，加之其零带隙的特征，使石墨烯很容易变得对光饱和。