石墨烯是纳米材料科学和凝聚态物理的新起之秀，它仅由一个原子层的碳原子组成，是严格意义上的二维材料。尽管距离其发现才十年之久，但是石墨烯已经被证明具有非常多的新奇物理特性，因此在基础研究和实际应用方面均具有潜在的应用价值。在基础物理方面，不寻常的电子能带色散关系使得石墨烯展现了一系列新的相对论凝聚态物理现象的出现，因此，一些不能在高能物理中观测到的量子相对论现象现在可以在石墨烯中观测到。在应用方面，石墨烯具有非常好的热稳定性以及高的室温迁移率等，这使得石墨烯可以成为一种具有优异电学性能的材料，从而在各个领域被广泛研究。　　本论文的主要工作围绕石墨烯展开，分为三个部分，包括石墨烯的可控生长与制备、石墨烯的电学特性探索、以及石墨烯与光相互作用的研究。具体内容如下:　　第一部分是石墨烯的可控生长与制备，利用微波等离子体增强化学气相沉积方法可控制备大面积均匀垂直站立石墨烯薄膜。通过对生长时间、甲烷流量等生长条件的调控，可以实现对垂直站立石墨烯薄膜形貌的调控。通过扫描电镜、透射电镜对形貌进行表征，通过拉曼、X射线光电子能谱、电子能量损失谱等对薄膜成分及结构进行表征。根据不同生长时间以及甲烷流量下得到的薄膜形貌的演变，提出了一种垂直站立石墨烯薄膜在铜基底上由二维转三维生长的生长机制。与其他基底相比，铜箔基底的优势在于容易实现大面积均匀生长并且生长速度快，且基底相对之前文献中所用稀有金属成本低廉。最后对薄膜进行了场发射性能测试。由于薄膜和基底接触良好，减小了接触电阻，因此该薄膜表现出低开启电场和阈值电场、高电流密度和场增强因子以及良好的稳定性，是一种潜在的场发射材料。　　第二部分是关于石墨烯电学性质的测量，基于空气中石墨烯表现出的p掺杂特性，提出了一种能够快速探测石墨烯以及其他二维材料中载流子类型及导电性差异的普适方法。该方法应用tapping模式的原子力显微镜，仅需要在针尖和样品的基底间施压一个偏压。由于电场的存在，二维材料表面发生极化，因此会得到一个虚假的表观高度。利用此表观高度可以判断材料中的载流子类型。对于p型石墨烯，相同数值的负偏压下表现出高于正偏压的表观高度;而n型二硫化钼与之相反，在正偏压下表现出更高的表观高度。该技术相比于传统的电输运测量的优势在于其为一种简单、无损的检测方法，并且具有空间分辨能力。该技术还可用于对电导不均匀的样品进行空间分辨成像。该部分以氧化石墨烯为例进行说明。由于氧化石墨烯表面存在不均匀分布的有机官能团，使得其不同区域导电性有所不同。在电场下，不同的导电性表现为极化能力不同，因此在表观高度像中表现为不同的高低起伏。　　第三部分是石墨烯和光相互作用的研究，主要利用近场光学显微镜研究了以下两部分内容:　　1.研究了石墨烯中的表面等离激元在双层石墨烯的畴界处的反射行为。该畴界是由双层石墨烯的位错所导致的，由于其原子结构及电子能带结构不同于双层石墨烯的体相，使得该种畴界表现出不同的电学、力学、光学特性。实验中观测到了各种不同图案的畴界，并首次证明近场光学图像中畴界的对比度来自于畴界对石墨烯中表面等离激元的反射。在不同类型的畴界处（shear和tensile畴界），反射振幅和相移均不同。因此可实现在大气下区分不同类型的畴界。除此之外，实验证明该反射可以用栅压来调控。这些发现揭示了双层石墨烯畴界中丰富的物理现象的存在。　　2.利用近场光学显微镜对多层石墨烯中不同堆叠方式的畴进行成像。双层石墨烯中最稳定的堆叠方式为AB(Bemal)堆叠。但是石墨烯层与层间有三种不等价的相对方向，因此随着层数逐渐增加，可以导致多层石墨烯中存在多种不同的堆叠方式。由于受到层间耦合作用的影响，不同堆叠方式的石墨烯的电子能带结构不同，因此与光的相互作用也会不同，进而导致不同的近场光学信号。实验中利用近场光学图像可以区别不同堆叠的畴。特别在四层石墨烯的研究中，发现了三种不同能带结构的畴，这与之前的理论计算中认为的只有两种稳定结构的堆叠方式存在于四层石墨烯中的结论有所不同。第一性原理计算显示，仅有两种稳定的堆叠方式存在于四层石墨烯中，而近场光学研究证明，至少有三种堆叠方式稳定存在。