电生理检测技术是脑科学研究的主要技术手段，通过神经电极与被检测神经系统目标区域直接接触，获取动作电位、场电位等信息。神经电极经过百年的发展，已经实现单个离子通道信号的精准测量（膜片钳技术）、多个神经元动作电位的测量（微丝电极、硅针电极）以及大区域场电位的测量（金属电极阵列）。但是，随着神经科学的发展，大家普遍意识到脑科学问题的综合性与复杂性，从神经突触(～nm)到神经细胞(～μm)再到全脑(～cm)，大脑的复杂结构在空间尺度跨越上超过6个数量级。面对如此庞杂的研究对象，我们需要集成度高、空间分辨率高的检测工具实现大规模、多级次的神经测量。大规模、高分辨率的测量需求对神经电极的设计提出新的要求:1.缩小单个神经电极的尺寸，进而实现精准测量（单细胞测量、亚细胞结构测量）;2.提高神经电极集成度（大量神经元同步测量、跨脑区协同测量）;3.优化神经材料，提高神经电极的生物兼容性（减少组织伤害、形成稳定界面、长期测量）。传统的神经电极很难同时满足这些需求。膜片钳技术具有高空间分辨率，但是操作复杂、无法实现大规模检测。金属电极阵列能够实现高通量检测，但是受噪声影响，无法满足高空间分辨率的需求。此外，传统电极材料都属于刚性材料，生物兼容性差，难以实现长时间稳定测量。　　新型碳纳米材料在空间尺度上具有先天优势，结合独特的电学性能、机械性能和光学性能，利用微纳加工技术制备基于碳纳米材料的神经电极为解决以上问题提供了可能。本论文的主要研究对象是石墨烯神经电极，分别结合石墨烯的电学特性、力学特性、化学特性和光学特性做了以下工作:　　1.利用碳纳米材料家族的杂化优势，制备柔性全碳神经电极。通过传统物理沉积法制各的堆叠式金属(Cr/Au，Ti/Au，Pd/Au)接触电极在弯曲变形过程中容易发生断裂。化学合成法制备的杂化石墨烯/碳纳米管薄膜具有良好的导电性，机械性能与石墨烯相近，能够在机械形变中保持良好的电学稳定性。结合微加工技术，一步化学合成单片全碳石墨烯晶体管具有良好的机械性能。我们利用全碳器件加工制备了柔性全碳神经电极阵列，能够与大鼠心脏表面弧度完美贴合，实现了大鼠心脏信号的在体测量。　　2.利用全碳晶体管的力学优势，制备褶皱神经电极。石墨烯晶体管传感器的最小检测限与其有效面积的平方根呈反比关系，所以不能无限制的减小石墨烯晶体管尺寸来提高空间分辨率。为了进一步提高石墨烯晶体管神经电极的空间分辨率，我们采用机械压缩法制备了褶皱神经电极。在不损失晶体管有效面积的同时降低器件的投影面积，从而实现空间分辨率的提高。最后，我们制备了褶皱神经电极阵列，实现了大鼠癫痫信号的在体测量。　　3.利用石墨烯的透光性和导电性制各透明神经电极。透明神经电极可以与光学成像技术相结合，实现大范围功能性成像。根据不同材料的透光性，选择匹配荧光染料成像需求的石英和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)作为基底材料，利用微加工技术制备了石墨烯透明神经电极。对于石墨烯晶体管电极，传统的金属接触电极(Au、Ti)都不具有透光性，导致有效透光范围有限。利用多层石墨烯作为接触电极制备全透明石墨烯晶体管电极能够有效提高电极透光性。　　从应用材料的合成、器件结构设计到神经电极的制备，每一步都根据最终的应用需求做出最优选择。从材料出发，结合材料独特物理化学性能设计出满足不同应用需求的神经电极是本论文的最大特色。