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作为第一种被发现的二维材料,石墨烯凭借其超高的载流子迁移率、超强的机械性能、良好的导热性、高透光率等特点引起了研究人员的广泛关注。作为石墨烯领域的上游研究,石墨烯的制备一直是研究的热门。石墨烯的制备目前可以大体分为:机械或液相剥离、Si C外延、氧化还原和化学气相沉积（CVD）四种方法。其中,CVD法凭借其较高的石墨烯质量、适宜大面积制备等特点成为了目前使用最广泛的石墨烯薄膜的制备方法。CVD法通常需要以金属衬底（铜、镍等）作为催化剂,在金属表面生长石墨烯。金属作为良导体并不适合作为衬底在其表面制造石墨烯器件,否则会导致短路。石墨烯的使用需要通过转移工艺将石墨烯从金属表面转移至目标衬底（半导体衬底、绝缘衬底等）上。转移工艺与目前的半导体技术并不兼容,且十分复杂,效率较低。同时,石墨烯只有单原子层厚度,本身十分脆弱且对环境敏感,转移时不可避免的会对石墨烯造成损伤和掺杂。目前,尚无行之有效的解决方法。因此,石墨烯的转移成为了限制石墨烯大规模应用的瓶颈之一。在这一背景下,直接生长石墨烯的相关研究逐步兴起。直接生长指的是在目标衬底上直接生长得到石墨烯薄膜,石墨烯无需转移,这样就绕开了转移工艺。如此做不仅能大幅提高石墨烯器件的制备效率,同时也能保证石墨烯的完整性。本论文使用商用垂直冷壁石墨烯CVD系统研究了多种石墨烯的免转移生长方法。大体可以分为金属辅助的免转移生长和无金属参与的免转移生长两类。在此基础上,不断探索直接生长石墨烯的应用,分别在Ga N发光二极管（LED）和石墨烯探测器两方面初步实现了直接生长石墨烯在光电器件领域的应用。最后,在转移石墨烯方面,也进行了一些课题研究,实现了石墨烯辅助大面积金属纳米颗粒的制备和液态铜CVD生长石墨烯的光电导型探测器研究。本论文的主要研究内容如下:1.提出并研究了一种新型金属牺牲层催化原位生长石墨烯的工艺方法。不同于此前文献报道的金属辅助生长工艺,本方法利用穿透腐蚀的机理去除金属牺牲层,大幅提高了实验的重复性和石墨烯的完整性。实现了高质量、免转移、图形化的石墨烯快速生长。800°C生长温度下,石墨烯的拉曼光谱D/G峰比值普遍小于0.3,透射率为97%,与铜箔催化高温（1000°C）生长的石墨烯质量近似。选区电子衍射结果显示石墨烯为单层结构。文中,不仅对金属牺牲层的穿透腐蚀机理进行了研究,发现了石墨烯加速金属腐蚀的重要现象。同时,还探索了石墨烯的生长技术,包括:低温生长、铜镍合金催化生长、钴催化生长等。其中,低温生长提出了碳原子扩散速度对石墨烯均匀性影响的机理,研究了低温生长中影响石墨烯质量的参数。600°C生长温度下,石墨烯拉曼光谱的D/G峰比值可以达到0.12-0.69,质量高于大部分文献报道。作为低温免转移生长的应用,实现了石墨烯在Ga N LED上作为透明导电薄膜的初步应用,石墨烯起到了明显的电流扩展效果,大幅提高了器件性能。在金属牺牲层工艺的基础上还开发出了金属临近效应生长技术。2.系统研究了两种无金属催化直接生长石墨烯的技术。一、提出了使用交联Parylene N作为碳源图形化生长石墨烯的技术,这是一种全新的图形化直接生长技术,实现了大面积、均匀的石墨烯生长。无金属催化生长工艺具有简便、高效、不污染衬底、与传统CMOS工艺兼容等优点,具有潜在的应用前景。对生长机理进行了分析,并且率先探索了直接生长石墨烯在探测器上的应用,制备出了硅基肖特基结构的石墨烯探测器。792 nm激光照射下,室温测得4 V反向偏压下,器件的光响应度为275.9 m A/W,比探测率为4.93×109 cm Hz1/2/W。石墨烯器件性能保持与转移石墨烯器件基本一致的情况下,使用免转移的制备方法大幅提高了器件的制备效率和一致性,更具有商业价值。二、研究了垂直取向石墨烯的直接生长技术,对石墨烯的质量和形貌进行了表征,提出了肖特基结构和热电堆结构两种垂直取向石墨烯的探测器结构。其中,热电堆探测器使用垂直取向石墨烯作为光收集器,提高了器件性能约8倍。3.除了直接生长的研究,还进行了一些转移石墨烯的相关研究。一、提出了石墨烯辅助制备银纳米颗粒的技术。在离子注入技术的基础上,选用石墨烯作为蒸发阻挡层,利用其高机械强度和原子不透性,结合提出的衬底表面周期性处理技术,获得了大面积、大尺寸（～150 nm）、规则排列的单晶银纳米颗粒阵列,并且实现了石墨烯的拉曼光谱G峰20倍的增强效果。二、研究了液态铜石墨烯光电导型探测器。分析了石墨烯的光电导响应机理,并利用液态铜生长的高质量石墨烯制备出了高响应度的石墨烯探测器。