石墨烯是仅由碳原子以sp2杂化键合形成的二维蜂窝状原子晶体材料,它表现出独特的电子学特性,并且具有优异的导电性、导热性、透明性、机械强度和化学稳定性,因而在下一代电学光学器件中具有广阔的应用前景。近年来,化学气相沉积(CVD)法以其高度可控和可实现样品高质量而成为制备石墨烯的主流方法。采用CVD法直接在绝缘衬底上生长石墨烯成为了石墨烯制备领域重点关注的研究方向,与以金属作为生长衬底相比,在应用所需的绝缘衬底上生长石墨烯,可以直接进行后续器件加工,从而避免了转移等后处理引起的污染和破损,有望获得高质量且无污染的石墨烯样品。同时,由于石墨烯与基底间没有转移引入的吸附水层和界面杂质,石墨烯表现出更好的界面结合。从应用角度考虑,在绝缘衬底上生长石墨烯并应用,存在以下两个问题:1)如何实现大面积均匀石墨烯的高效制备;2)直接生长石墨烯在实际器件应用时其质量和与衬底的界面结合对器件性能的影响。针对这些问题,本论文展开相应的研究,在不同绝缘衬底上实现了大面积均匀石墨烯的制备,对获得的样品进行相关的应用探索,并探究了石墨烯与基底的紧密随形贴合对器件性能的提升。同时,还研究了制备面向电子器件应用的绝缘六方氮化硼(h-BN)单晶衬底及其阵列的新方法。主要研究内容和结果如下:(1)采用金属镓(Ga)蒸气辅助催化,在石英衬底上获得了大面积均匀的单层石墨烯膜。通过对比Ga蒸气辅助催化和其它绝缘衬底生长石墨烯的方法,我们证明了 Ga蒸气辅助催化可有效提高石墨烯的生长效率。我们将直接生长的石墨烯制作成除雾器,首次实现了石墨烯除雾器的超快除雾应用,32 V电压下仅需5 s即可完全除去表面雾气。由于转移石墨烯存在吸附水层和界面杂质,石墨烯与基底结合非常弱,对比直接生长石墨烯和转移至绝缘衬底上的石墨烯的除雾性能,发现直接生长的石墨烯无论是在除雾时间还是稳定性方面都要远优于转移石墨烯,直接生长的石墨烯与基底的界面结合使其在除雾应用方面表现出巨大优势。(2)研究了任意形状陶瓷衬底上石墨烯的均匀随形生长。我们利用陶瓷易于塑性的特点,制备了具有任意形状的陶瓷基底,并在陶瓷加工过程中,引入金属镍(Ni)粉末催化石墨烯生长,获得了高质量且大面积均匀的石墨烯。同时在对起伏表面的石墨烯进行表征分析时发现,无论是在凹面、凸面和平面处,都有石墨烯覆盖,且各处的石墨烯是均匀的。通过将石墨烯陶瓷构筑成加热器件,石墨烯陶瓷表现出优异的电加热性能,仅施加3 V的电压,饱和温度即可超过160℃,且表面温度分布均匀。通过在高湿度环境下测定石墨烯陶瓷加热器的稳定性,我们证实了石墨烯在任意形状陶瓷表面是随形紧密贴合的,可以有效避免水分子渗入造成的石墨烯破损。此外,利用直接CVD法生长的石墨烯陶瓷,我们进一步制成了加热温度指示器、远程智能控制加热器、石墨烯陶瓷电致发光板等,从实际应用角度证明了石墨烯陶瓷的优异性能。(3)研究了在纳米级陶瓷颗粒上生长高质量的石墨烯。我们采用高能球磨制备了纳米级的陶瓷颗粒,并利用CVD法直接在颗粒表面生长石墨烯,通过透射电子显微镜(TEM)等表征证实石墨烯是完整包覆在颗粒表面的。通过放电等离子体烧结(SPS)将生长石墨烯的纳米陶瓷颗粒烧结成块体,我们获得了石墨烯纳米相分布的陶瓷。对体相内部进行表征,我们证实石墨烯在体相中均匀分布。与还原氧化石墨烯复合陶瓷相比,直接生长的石墨烯纳米相陶瓷具有更高的质量,从而表现出很好的导电性和力学性能。(4)制备了面向高集成器件应用的高质量h-BN单晶及单晶阵列。我们采用液态金属策略,选择液态铜(Cu)为生长基底,首次获得了圆形的h-BN单晶,并实现了h-BN单晶的自组装生长。与固态金属基底相比,液态Cu基底原子排列更为松散,高温下的原子迁移更加剧烈,使得其表面平滑而表现出各向同性,故而生长的h-BN单晶,表现出边缘弧形、近圆形或圆形的晶粒形状。同时,液态基底的流动特性使得h-BN单晶趋向于自组装排列,我们发现,圆形或近圆形h-BN单晶可以自组装形成有序排列的单晶阵列,阵列中单晶分立存在,尺寸均一且取向一致。