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电子在二维的石墨烯中传播时，能量与动量满足线性关系，行为类似无质量的狄拉克费米子（Dirac Fermions） ［1-3］ 。因此，石墨烯可以用相对论的狄拉克方程而非有质量的薛定谔方程来描述，其电子特性符合二维电子气，并可以10 6 m·s -1 的速度高速运动 ［1，2］ 。
石墨烯表现出二维狄拉克费米子的各种输运特征，如特定整数和分数量子霍尔效应（Quantum Hall Effects） ［4，5］ 及具有π相移的舒布尼科夫-德哈斯振荡（Shubnikov-de Haas Oscillations）现象 ［1］ 等。此外，即使载流子浓度趋于0时，石墨烯仍具有约4e 2 ·h -1 的电导率 ［1］ ；在悬浮的石墨烯样品中曾观察到可达10 6 cm 2 ·V -1 ·s -1 的载流子迁移率。再加上室温下的近弹道传输特性，使得石墨烯成为纳米电子领域潜在应用价值的材料 ［6，7］ ，特别是在高频应用领域 ［8］ 。
石墨烯还具有优异的光学性能。例如，尽管只有单原子的厚度，但依然肉眼可见。其透射率（ T ）可用精细结构常数（Fine-structure Constant）表示 ［9-11］ 。狄拉克电子是线性色散的，所以石墨烯可以在很宽的频率工作，使得宽带应用成为可能。泡利阻塞（Pauli Blocking） ［12，13］ 会造成饱和吸收，而非平衡载流子会导致热发光 ［14-17］ 。化学和物理处理也可以导致发光 ［18-21］ 。这些特性共同促使其成为一种理想的光子和光电子材料。