Elektronické vlastnosti
Jednou z nejužitečnějších vlastností grafenu je, že se jedná o polokov s nulovým přesahem (s dírami i elektrony jako nosiči náboje) s velmi vysokou elektrickou vodivostí. Atomy uhlíku mají celkem 6 elektronů; 2 ve vnitřní slupce a 4 ve vnější slupce. Čtyři elektrony vnější slupky v jednotlivém atomu uhlíku jsou k dispozici pro chemickou vazbu, ale v grafenu je každý atom spojen se třemi dalšími atomy uhlíku ve dvourozměrné rovině, takže 1 elektron je volně k dispozici ve třetím rozměru pro elektronickou vodivost. Tyto vysoce pohyblivé elektrony se nazývají pi (π) elektrony a nacházejí se nad a pod listem grafenu. Tyto pi orbitaly se překrývají a pomáhají posilovat vazby mezi uhlíkem a uhlíkem v grafenu. Elektronické vlastnosti grafenu jsou v zásadě dány vazbou a antivazbou (valenční a vodivostní pásy) těchto orbitalů pí.
Kombinovaný výzkum za posledních 50 let prokázal, že v Diracově bodě v grafenu mají elektrony a díry nulovou efektivní hmotnost. Dochází k tomu proto, že vztah energie – pohyb (spektrum pro excitace) je pro nízké energie v blízkosti 6 jednotlivých rohů Brillouinovy zóny lineární. Tyto elektrony a díry jsou známé jako Diracovy fermiony neboli grafiny a 6 rohů Brillouinovy zóny je známých jako Diracovy body. Vzhledem k nulové hustotě stavů v Diracových bodech je elektronická vodivost ve skutečnosti poměrně nízká. Fermiho hladinu však lze změnit dopováním (elektrony nebo dírami) a vytvořit tak materiál, který potenciálně vede elektřinu lépe než například měď při pokojové teplotě.
Testy ukázaly, že elektronická pohyblivost grafenu je velmi vysoká, přičemž dříve uváděné výsledky přesahují 15 000 cm2-V-1-s-1 a teoreticky jsou možné hranice 200 000 cm2-V-1-s-1 (omezené rozptylem akustických fotonů grafenu). Říká se, že grafenové elektrony se díky nedostatku hmoty chovají ve své pohyblivosti velmi podobně jako fotony. Tyto nosiče náboje jsou schopny překonávat submikrometrové vzdálenosti bez rozptylu; tento jev je znám jako balistický transport. Limitujícím faktorem však bude kvalita grafenu a použitého substrátu. Například u oxidu křemičitého jako substrátu je pohyblivost potenciálně omezena na 40 000 cm2-V-1-s-1.
„Pokud jde o to, jak daleko jsme k pochopení skutečných vlastností grafenu, je to jen špička ledovce. Než bude grafen intenzivně začleněn do oblastí, v nichž podle našeho názoru vynikne, musíme věnovat mnohem více času pochopení toho, co z něj dělá tak úžasný materiál.“
Mechanická pevnost
Další z význačných vlastností grafenu je jeho přirozená pevnost. Díky pevnosti svých uhlíkových vazeb o délce 0,142 Nm je grafen nejpevnějším materiálem, jaký byl kdy objeven, s pevností v tahu 130 000 000 000 Pascalů (neboli 130 gigapascalů) ve srovnání se 400 000 000 u konstrukční oceli A36 nebo 375 700 000 u aramidu (kevlaru). Grafen je nejen mimořádně pevný, ale také velmi lehký – 0,77 miligramu na metr čtvereční (pro srovnání: 1 metr čtvereční papíru je zhruba 1000krát těžší). Často se uvádí, že jediný list grafenu (který má tloušťku pouhého 1 atomu), jehož velikost by stačila na pokrytí celého fotbalového hřiště, by vážil méně než 1 jediný gram.
Zvláštní na tom je, že grafen obsahuje také elastické vlastnosti a po namáhání si dokáže zachovat svou původní velikost. V roce 2007 byly provedeny mikroskopické testy atomárních sil (AFM) na grafenových listech, které byly zavěšeny nad dutinami oxidu křemičitého. Tyto testy ukázaly, že grafenové listy (o tloušťce mezi 2 a 8 Nm) mají konstanty pružnosti v oblasti 1-5 N/m a Youngův modul (odlišný od trojrozměrného grafitu) 0,5 TPa. Tyto superlativní údaje jsou opět založeny na teoretických vyhlídkách s použitím grafenu, který je bez vad, neobsahuje žádné nedokonalosti a v současné době je velmi drahý a obtížně uměle reprodukovatelný, ačkoli výrobní techniky se neustále zlepšují, což v konečném důsledku snižuje náklady a složitost.
Optické vlastnosti
Schopnost grafenu absorbovat poměrně velké množství 2,3 % bílého světla je také jedinečná a zajímavá vlastnost, zejména s ohledem na to, že má tloušťku pouze 1 atom. Je to způsobeno jeho výše zmíněnými elektronickými vlastnostmi; elektrony se chovají jako bezhmotné nosiče náboje s velmi vysokou pohyblivostí. Před několika lety bylo prokázáno, že množství pohlceného bílého světla je založeno na konstantě jemné struktury, nikoliv že je diktováno specifiky materiálu. Přidáním další vrstvy grafenu se množství absorbovaného bílého světla zvýší přibližně o stejnou hodnotu (2,3 %). Neprůhlednost grafenu πα ≈ 2,3 % odpovídá univerzální hodnotě dynamické vodivosti G=e2/4ℏ (±2-3 %) ve viditelném frekvenčním rozsahu.
Více informací o nové řadě grafenových tranzistorů s efektem pole pro biosenzory společnosti Graphenea najdete zde.
Vzhledem k těmto působivým vlastnostem bylo pozorováno, že jakmile optická intenzita dosáhne určité prahové hodnoty (známé jako saturační fluence), dochází k sytící absorpci (velmi vysoká intenzita světla způsobuje snížení absorpce). To je důležitá vlastnost s ohledem na mód-locking vláknových laserů. Díky vlastnostem grafenu spočívajícím v ultrarychlé saturovatelné absorpci necitlivé na vlnovou délku bylo dosaženo uzamčení módu v celém pásmu pomocí disipativního solitonového vláknového laseru dopovaného erbiem, který je schopen dosáhnout ladění vlnové délky až o 30 nm.
Pokud jde o to, jak daleko jsme k pochopení skutečných vlastností grafenu, je to jen špička ledovce. Než bude grafen intenzivně integrován do oblastí, v nichž podle našeho názoru vynikne, musíme věnovat mnohem více času pochopení toho, co z něj dělá tak úžasný materiál. Bohužel, i když máme velkou představivost při vymýšlení nových nápadů na možné aplikace a využití grafenu, k tomu, abychom tyto nápady rozvinuli do reality, je zapotřebí čas, abychom plně pochopili, jak a co grafen skutečně je. To však nemusí být nutně špatně, protože nám to dává příležitost narazit na další dosud nedostatečně prozkoumané nebo přehlížené supermateriály, jako je například rodina 2D krystalických struktur, které grafen zrodil.