石墨烯是由sp~2杂化的碳原子构成的一种具有蜂窝状结构的二维纳米材料,由于其长程π共轭电子,使其具有优异的力学、热学、光学和电学等性质。因此,研究者在纳米电子学、材料科学、凝聚态物理方面对于石墨烯产生了广泛的兴趣。值得注意的是,石墨烯的磁性目前也引起了广泛的关注。在石墨烯这类轻质材料中的磁性使其可以设计成合适的信息储存器件。另外因为其具有弱的自旋轨道耦合而具有很长的自旋弛豫长度,使得石墨烯在自旋电子学器件中具有潜在的广泛应用前景。但是,完美的石墨烯因为其去局域的二维网络结构因而没有局域磁矩,这限制了其在自旋电子学器件中的应用。因此,制备铁磁性的石墨烯在理论上和实验上都很重要。近年来,氮掺杂作为一种有效的手段调节石墨烯的半导体性质,进而调节石墨烯的光学和电学性质。理论上,很多研究表明：氮掺杂可以有效的引入局域磁矩。氮掺杂可以通过不同的形式辅助空穴,边界,以及作为稳定的吸引原子来吸引其他原子,从而增强石墨烯的磁矩。同时,由于强的电负性,氮原子还可以作为束缚极化子捕获自由电子,引入的局域自旋间可能可以通过捕获的自由电子发生铁磁耦合。然而在实验中,氮掺杂石墨烯的磁性还未见报道。在本论文中,我们首次在实验上利用氮原子掺杂石墨烯,并获得了铁磁性的石墨烯,同时利用高浓度的氮掺杂,推进了其饱和磁矩和居里温度。除了磁性之外,研究者在光学、电学等方面对于碳材料应用产生了广泛的兴趣,其中一个重要方向就是调节其带隙。为了打开石墨烯的带隙,研究者探索了许多方法,比如裁剪石墨成量子点和掺杂石墨烯等方法,其中一个可行的方法就是通过掺杂氮或氟来调控石墨烯的光学和电学性质。通过调节这些性质,其不仅可以使得半导体材料更加有效应用于自旋电子学,而且会促进其在新型电-光-磁多功能集成器件、能量转换、光通信和传感技术中的潜在应用。本论文的主要研究内容及结果如下：1.将还原氧化石墨烯(RGO)在氨气气氛中于不同温度下加热,获得氮掺杂石墨烯(NG)。首次发现,通过氮掺杂后,本征顺磁性磁矩发生明显增强,我们能够获得的最高比饱和磁化强度为0.514 emu/g,也是之前文献报道利用氟化手段能够获得的最高比饱和磁化强度的2.67倍。同时,相比于初始原料RGO的比饱和磁化强度增强了64.1%。本工作中,我们发现在相对较低的温度下退火(≤600℃),能够有效增强石墨烯的磁矩,但是NG仍表现纯顺磁行为。2.从实用的石墨基电路的观点看,制备具有磁性的石墨烯可以应用在无磁性电极的自旋电子学器件中。因此,调控石墨烯的磁性以及获得铁磁性的石墨烯变得非常重要。在前项工作的基础上,我们尝试高浓度的氮掺杂使得样品具有铁磁性。我们采用少层氧化石墨烯(GO)作为前驱物进行掺杂,在掺杂后可以获得8.80 at.%的高浓度的氮掺杂。相应地,其比饱和磁矩增强为1.66 emu/g,相比于原始的GO增强了1509.1%。更重要的是,其使得GO从纯顺磁性转变为铁磁性,并且居里温度为100.2 K。本工作对石墨烯的本征磁性研究是一个大的突破,推动了磁性石墨烯在自旋电子学器件中的潜在应用。3.为了推进石墨烯的居里温度,我们采用氟辅助的方式来获得更高浓度的氮掺杂。采用氟化石墨烯作为前驱物制备的氮掺杂石墨烯中的N-6、N-5和总的N含量分别为18.49、9.54和29.82 at.%。同时我们也做了磁性测试,结果表明通过高含量的氮掺杂我们推进了我们之前的结果,实现了居里温度高达250.1 K和磁矩高达2.3 emu/g的铁磁性石墨烯。本工作进一步推动了石墨烯在自旋电子学器件中的潜在应用。4.利用微加工技术制备了一维的单根氮掺杂螺旋碳纳米管(N-doped HCNT)器件并系统的研究了其光电导。利用515 nm的激光聚焦形成约300 μm直径的光斑照射在器件上,结果表明N-doped HCNT具有很高的载流子产生率和双分子复合率。同时N-doped HCNT的荧光性质也得到系统的研究。结果表明通过选择合适的波长的激发光可以获得更高的光响应。