گرافین
خواص

ساختار اتمی
ساختار اتمی تک‌لایهٔ مجزای گرافن به روش میکروسکوپی عبوردهی الکترونی (Transmission Electron Microscopy) بر روی ورقه‌هایی از گرافن که در بین دو شبکه آهنی نگه داشته شده‌اند، مطالعه شده‌است. طرح‌های پراش الکترونی ساختار شش ضلعی گرافن را نشان داده‌اند. علاوه بر این، گرافن از خود اعوجاج‌هایی را بر روی این ورقه‌های تخت نشان داده‌اند، با دامنه‌ای در حدود یک نانومتر. این اعوجاج‌ها ممکن است خصلت ذاتی ای برای گرافن به خاطر ناپایداری کریستال‌های دو بعدی باشد، یا حتی ممکن است در اثر عوامل خارجی ای ناشی از ناخالصی‌هایی که در سرتاسر گرافن وجود دارند و کاملاً به توسط تصاویر TEM تهیه شده از گرافن مشاهده شده‌اند، به وجود آمده باشند. تصاویر فضای حقیقی با دقت اتمی گرفته شده از تک لایهٔ مجزای گرافن قرار گرفته بر روی زیرلایهٔ SiO۲ به وسیلهٔ روش میکروسکوپی تونل زنی اسکن‌کننده (Scanning Tunneling Microscopy) تهیه شده‌اند. این تصاویر نشان دادند که اعوجاج‌های تک لایهٔ گرافن قرار گرفته بر روی زیرلایهٔ SiO۲ به خاطر ترکیب و تطبیق یافتن تک لایهٔ گرافن با زیرلایهٔ SiO۲ ایجاد شده‌اند و یک خصلت ذاتی برای آن نمی‌باشند.
خواص الکترونیکی
گرافن با سایر مواد متداول سه بعدی متفاوت است. گرافن طبیعی یک‌نیمه فلز یا یک‌ نیم‌رسانا با شکاف نواری صفر است. درک ساختار الکترونیکی گرافن اولین قدم برای یافتن ساختار نواری گرافیت است. اولین بار خیلی قبل‌تر در سال 1947 P. R. Wallace متوجه خطی بودن رابطهٔ E-k (انرژی و عدد موج کریستال) در نزدیکی شش گوشهٔ منطقهٔ بریلوئن شش ضلعی دوبعدی گرافن برای انرژی‌های پایین ـ که منجر به جرم مؤثر صفر برای الکترون‌ها و حفره‌ها می‌شود ـ شد. به خاطر این رابطهٔ پاشندگی خطی در انرژی‌های پایین، الکترون‌ها و حفره‌ها در نزدیکی این شش نقطه، که دو تا از آن‌ها غیر یکسان هستند، همانند ذرات نسبیتی ای که با معادلهٔ دیراک برای ذرات با اسپین نیم صحیح توصیف می‌شوند، رفتار می‌کنند. به همین خاطر به به این الکترون‌ها و حفره‌ها فرمیون‌های دیراک و به آن شش نقطه، نقاط دیراک گفته می‌شود. معادله‌ای بیان گر رابطهٔ E-k،  E=\hbar v_{F}{\sqrt {k_{x}^{2}+k_{y}^{2}}} می‌باشد که در آن سرعت فرمی vF ~ 10۶ m/s است.
ترابرد الکترونی
نتایج تجربی از اندازه‌گیری‌های ترابرد الکترونی نشان می‌دهند که گرافن دارای تحرک‌پذیری الکترونی بسیار بالایی در دمای اتاق می‌باشد، با مقادیر گزارش شده‌ای بالاتر از 15,000 cm۲V−۱s−۱. همچنین تقارن اندازه‌گیری‌های تجربی رسانندگی نشان می‌دهد که تحرک‌پذیری برای الکترون‌ها و حفره‌ها باید یکسان باشد. در بازهٔ دمایی بین 10k تا 100k، تحرک‌پذیری تقریباً به دما وابسته نیست، که بیان‌کنندهٔ این امر است که مکانیزم غالب پراکندگی، پراکندگی ناقص است. پراکندگی به توسط فونون‌های آکوستیک گرافن موجب یک محدودیت ذاتی بر تحرک‌پذیری در دمای اتاق در حد 200000 cm۲V−۱s−۱ برای چگالی حامل ۱۰۱۲ cm−۲ می‌شود. مقاومت متناظر ورقه‌های گرافن در حد 10-۶ Ω•cm خواهد بود. این مقاومت از مقاومت نقره، مادهٔ شناخته شده به عنوان دارندهٔ کمترین مقاومت در دمای اتاق، کمتر است. اگرچه برای گرافن قرار گرفته بر روی زیر لایهٔ SiO۲، پراکندگی ناشی از فونون‌های اپتیکی زیر لایه در دمای اتاق اثر بزرگ‌تری است از اثر پراکندگی ناشی از فونون‌های خود گرافن. این امر تحرک‌پذیری را به میزان 40,000 cm۲V−۱s−۱ محدود می‌کند.
خواص اپتیکی
خواص اپتیکی منحصر به فرد گرافن، موجب بروز یک شفافیت بالای غیرمنتظره برای یک تک لایهٔ اتمی با یک مقدار سادهٔ شگفت‌انگیز شده‌است، یک تک لایهٔ گرافن πα ≈ ۲٫۳٪ از نور سفید فرودی بر روی خود را جذب می‌کند که در آن α ثابت ساختار ریز شبکه می‌باشد. این امر نتیجهٔ ساختار الکترونیکی کم انرژی غیرمعمول گرافن تک لایه است که طرحی به ساختار نوار انرژی الکترونی ـ حفره‌ای گرافن می‌دهد تا آن‌ها در نقاط دیراک به هم برسند، که به‌طور کیفی از سایر نوارهای انرژی فشردهٔ مرتبهٔ دو معمول متفاوت است. بر مبنای مدل از ساختار نواری گرافن، فواصل بین اتمی، مقادیر پرش، و فرکانس به هنگام محاسبهٔ رسانندگی اپتیکی با استفاده از معادلات فرنل در حد لایه‌های نازک از بین می‌رود. این امر به صورت تجربی تأیید شده ولی هنوز مقادیر اندازه‌گیری شده به اندازهٔ کافی برای محاسبهٔ ثابت ساختار ریز دقیق نبوده‌است.
می‌توان شکاف نوار انرژی گرافن را از ۰ تا 0.25 الکترون‌ولت (در حدود طول موج پنج میکرومتر) به وسیلهٔ اعمال ولتاژ در دمای اتاق به یک ترانزیستور اثر میدان دو دروازه‌ای ساخته شده از یک گرافن دو لایه‌ای، تنظیم نمود. همچنین نشان داده شده‌است که پاسخ اپتیکی نانو نوارهای گرافنی نیز در ناحیهٔ تراهرتز به وسیلهٔ اعمال یک میدان مغناطیسی قابل تنظیم است. علاوه بر این نشان داده شده‌است که سیستم‌های گرافن ـ گرافن اکسید از خود رفتار الکتروکرومیک بروز می‌دهند، که اجازه می‌دهند هم خواص اپتیکی خطی و هم خواص اپتیکی فوق سریع را تنظیم کرد.