石墨烯內部碳原子的排列方式與石墨單原子層一樣以sp2雜化軌道成鍵

并有如下的特點：碳原子有4個價電子，其中3個電子生成sp2鍵，即每個碳原子都貢獻一個位于pz軌道上的未成鍵電子，近鄰原子的pz軌道與平面成垂直方向可形成π鍵，新形成的π鍵呈半填滿狀態。

研究，石墨烯中碳原子的配位數為3，每兩個相鄰碳原子間的鍵長為1.42×10-10米，鍵與鍵之間的夾角為120°。

除了σ鍵與其他碳原子鏈接成六角環的蜂窩式層狀結構外，每個碳原子的垂直于層平面的pz軌道可以形成貫穿全層的多原子的大π鍵（與苯環類似），因而具有的導電和光學性能。

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