自2004年石墨烯被解理获得以来,其独特的二维结构和电子学性质,引起了世界范围内广泛的关注。石墨烯具有广阔的应用前景,如量子计算机,燃料电池,传感器,等等。缺陷的存在,比如畴界,皱褶以及点缺陷等,会从结构上以及电子学性质上对石墨烯产生巨大的影响。本文中,我们将从结构和电子学行为两方面,来研究石墨烯中自发产生的和人为引入的缺陷结构。第一章是石墨烯简介,简单介绍了石墨烯的结构及其独特的电子学性质,以及制备方法,常用的表征手段。这里,我们还简要地介绍了实验中使用的扫描隧道显微镜/谱(scanning tunneling microscopy/spectroscopy, STM/STS)的发明,发展和工作原理。第二章,利用STM/STS研究了化学气象沉积(chemical vapor deposition, CVD)方法制备并转移到SiO2/Si衬底上的单层石墨烯中有序和无序畴界(grain boundaries, GBs)。研究中发现了两种有序畴界结构,分别为(3,1)|(1,3)畴界(由五元环和七元环交替连接而成)和(2,0)|(2,0)畴界(由五元环对和八元环交替连接而成),并结合第一性原理计算,首次从实验上证明了在有序的石墨烯畴界中存在范霍夫奇异性(van Hove singularities, VHSs)。我们的研究还表明,由于VHSs的存在,有序畴界结构能显著的提高石墨烯的电导。据此,提出了一种基于石墨烯的器件结构,就是内嵌有序石墨烯畴界的纳米条带,可以极大地改善其电输运行为。另外,我们还从实验上证明了,无序的畴界与有序畴界是恰恰相反的,前者的存在对输运是有害的。主要原因在于有序畴界中具有沿着畴界方向没有位置依赖关系的VHS态,而无序畴界中存在的局域的缺陷态是具有位置依赖性的,他们的存在会对电子产生散射,阻碍其传输。我们的结果表明,如果将畴界的有序度考虑进来,就能解释前人输运测量实验中得到的关于畴界的电导的矛盾结果了。第三章,研究了石墨烯中存在应力的两种结构,并研究了应力对其电子学性质的调制效应。通过STM/STS的研究,发现了石墨烯中的(1,0)位错(dislocation)和皱褶结构,分别为本征的和衬底引起的应力结构。结合第一性原理的计算,(1,0)位错的存在已经使得石墨烯的能带结构发生了巨大的变化,导致了VHS态的出现。并且由于应力的存在,实验观测到在畴界中打开的能隙。在另外一种石墨烯的皱褶结构中,通过对其结构和电子态的研究,发现了朗道能量化,同时根据其表观高度特征,我们提出了三重折叠皱褶的结构模型。第四章中,采用低压CVD方法,调制生长过程的各气体组分的比例,得到了具有不同化学存在形式和不同掺杂原子浓度的N掺杂的单层石墨烯。通过XPS研究,证明了N原子的存在形式有石墨型,吡咯型以及吡啶型三种构型。利用STM/STS的微观研究,确定了石墨型和吡啶型N缺陷的存在及其原子结构,电子学性质以及掺杂效果。石墨型N和吡啶型N缺陷分别具有电子型和空穴型的掺杂效应。通过对不同N掺杂类型的石墨烯样品的霍尔效应(Hall effect)测量,得到了电子型掺杂和空穴型掺杂的石墨烯,并且与微观测量结果一致。通过单一元素掺杂得到了不同掺杂类型的石墨烯。采用这种方法得到样品中,石墨型与吡啶型N缺陷会各自形成独立地畴。同时,采用液态吡啶源,使用常压CVD方法也制备出了单层氮掺杂石墨烯,并观察到了石墨型和吡啶型N缺陷的存在。不同的是,二者是可以距离得很近,而不是形成独立地畴。第五章,采用氩离子溅射的方法,在绝缘体衬底上的石墨烯表面成功制备出了单空位、双空位、四空位及其他一些点缺陷结构。基于STM研究我们发现,经过优化溅射参数以后,得到的大多数的缺陷结构都是单空位,而其中超过80%的单空位都是具有相同的取向,也就是说,缺失原子都是来源于同一套子格子的。通过STS研究,我们确定了空位结构的电子学性质。