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石墨烯在光学、力学、电学以及热学性能等方面都具有诸多的优异特性。
理论和实验证明，单层的石墨烯的透光性是最好的，但是随着厚度的增加，其透射率也逐渐变差，这是因为石墨烯对光吸收存在着饱和度，利用石墨烯这一非线性光学性质，可以制备激光器等超高速光子器件。
石墨烯在导电性上也有出色的表现。室温下，石墨烯是最佳的半金属导电材料，因为无需热激发，其导带和价带之间通过狄拉克点进行电子传输。其能隙与带宽成反正是因为石墨烯具有半导体的特性，利用通过对带宽尺寸的控制，让成功构建高性能的场效应管的设想不再遥远。
在力学和热学方面，石墨烯也表现出了优异的成绩。在已知材料当中，石墨烯拥有最高的强度（抗拉强度为124GPa）以及硬度。这一特性，在复合材料领域可以充当一种优秀的二文增强相。石墨烯因为拥有很大的表面积，其热导性质也早已应用于石墨烯与锂两者相结合的多孔复合材料。
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