石墨烯及其相关材料因为其优异的物理、化学性质在高速计算芯片、复合材料、平板显示、储能元件等方面有着广泛的应用前景。不同于传统材料，人们对这种具有蜂窝结构的二维晶体还知之甚少；其生长、表征还是世界性的研究热点和难点；其应用方面的研究也有待深入拓展。本论文围绕石墨烯生长、表征以及应用三大方面内容，结合化学气相沉积技术、微区Raman光谱技术、光学电学性能测试技术，着重从单层、多层石墨烯化学气相沉积制备、热输运性质表征、石墨烯抗氧化性以及石墨烯场效应晶体管应用等方面开展了全面的研究，主要取得如下研究成果：　　 石墨烯生长方面，采用目前最先进的化学气相沉积制备技术，在Cu表面实现晶粒尺寸可控的石墨烯生长；利用同位素追踪技术研究其生长机理；提出应用热氧化法直接在Cu衬底表面表征石墨烯的单晶尺寸及其缺陷密度；首次提出在Ni-Cu合金衬底上采用化学气相沉积技术制备石墨烯；观察到石墨烯生长的衬底晶向关联行为；成功制备了可控厚度从亚单层到19nm的大面积亚单层、单层、大部分双层、多层石墨烯以及超薄石墨；研究了层厚关联的光学、电学特性。　　 石墨烯表征方面，提出其热输运的非接触光学测量新方法，实现真空和气体环境下，石墨烯热导率的准确测量，并发现了石墨烯和气体的热交换规律；测量不同几何尺寸(2.9-9.7微米直径)悬空石墨烯的热导率，初步探讨二维石墨烯热导率与尺寸的依赖关系，发现随着石墨烯尺寸增加其热导率缓慢增加，其变化趋势应证了理论预测的二维体系热导率与横向尺寸的对数关系。　　 石墨烯应用方面，首次提出把石墨烯作为金属表面防护层，并应用到抗氧化、抗腐蚀的领域。测试了石墨烯在高温氧化气体介质和强氧化剂溶液中的抗氧化性能；测试了酸盐溶液中石墨烯的抗腐蚀性能；讨论了石墨烯缺陷、晶界对抗氧化、抗腐蚀性能的影响。此外，在电子器件应用方面，首次提出表面金属掺杂技术，对石墨烯场效应晶体管的载流子浓度和极性进行调控；探讨石墨烯效应晶体管在传感器等方面的应用，系统研究极性分子(例如NH3)在石墨烯表面的吸附、解吸附以及电场诱发的翻转行为。最后，还对极性分子与石墨烯之间电荷转移率进行深入研究，发现电荷转移率与极性分子的取向关系。