要研究石墨烯的表征，必须研究表面形态、石墨烯中碳原子排列图案的视图、用以观察畴尺寸的晶界存在（这对于了解石墨烯片的电学特性十分重要）及石墨烯层数（单层、双层或多层）。如果将石墨烯掺杂一些掺杂剂，那么其浓度以及其在晶格中的位置也会得以确定。对显微图像进行研究可获得此类信息，显微图像可通过扫描电子显微镜、扫描隧道显微镜、透射电子显微镜和原子力显微镜而获得。

电子显微镜是一种科学仪器，用高能电子束以非常精细的尺度研究物体。在扫描电子显微镜中，用一束高能量的聚焦电子束代替光来形成图像。以此可获得形貌信息（物体的表面特征）、形态信息（构成物体的粒子的形状和大小）、组成信息（组成物体的元素和化合物以及它们的量）和晶体信息（原子在物体中的排列）。扫描电子显微镜也能够根据样品上选定的点的位置进行分析，这种方法在定性或半定量测定化学组成[使用能量色散谱仪（EDS）]、晶体结构和晶体取向[使用电子背向散射衍射（EBSD）]时特别有用。场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）通过用电子高能光束以光栅扫描模式扫描样品表面对其成像。

一些石墨烯片的扫描电子显微镜和扫描隧道显微镜的成像照片能够说明这些仪器的优点。图4.1显示了在经过预处理的铜基底上生长的石墨烯片。扫描电子显微镜显示了在用不同的工艺进行清理的铜片上生长的石墨烯形貌受到的影响。当铜仅经热清洗时（图4.1a），石墨烯的生长呈现出不规则形状；当铜用硝酸清洗后然后进行热处理时（图4.1b），铜上生长出少量六角形的石墨烯分子；如果铜基板经电化学清洁然后进行热处理（图4.1c），铜基板上生成了大且规则的六边形石墨烯。该实验表明，铜基板的形态可影响石墨烯分子的形态。

与扫描电子显微镜不同，透射电子显微镜的电子束透射过超薄的样本，并与其发生相互作用。透射电子显微镜具有更高分辨率的成像能力。因此，透射电子显微镜是了解材料形态的主要分析方法。如今，高分辨率的透射电子显微镜（HRTEM）被广泛使用。在高倍镜下，结晶样品的原子列与电子束产生的相互作用形成了不同的对比机制，被称为相位对比。

图4.1 扫描电子显微镜显示了对铜基底进行处理时，石墨烯薄膜所受的影响 （a）仅用热清洗 （b）用硝酸处理 （c）电化学清洁 Copyright by Elsevier Ltd.，Courtesy：Vlassiouk et al.，Carbon 5 4，58-6 7，2013.(www.daowen.com)

这一作用可用于在取向晶体中对原子距离的成像。作为电子衍射的附加技术，通过这一有效的方法可获取进一步的信息，如晶体的晶面间距和1nm以下的界面信息。

合成石墨烯片时，形成的层数可通过透射电子显微镜来确定。例如：图4.2所示为不同层的石墨烯片在透射电子显微镜下的照片，垂直单线表示层数。图4.2a、b、c所示分别为单层、双层、三层石墨烯。

图4.2 高分辨透射电子显微镜显示的石墨烯片折叠边图像 （a）单层 （b）双层 （c）三层石墨烯，从植物前体樟脑中合成 Copyright ⓒ 2011，Elsevier B.V.All rights reserved.Courtesy：Kalita et al.，Physica E 4，2011，1490-1493.

扫描隧道显微镜的应用使石墨烯的层数和石墨烯的蜂窝六边形结构可视化，如何从大量的石墨碳层区分出三层石墨烯也可以被可视化。结合扫描隧道显微镜和光谱与朗道（Landau）能级谱，卢西恩和安德烈（Lucian and Andrei，2008）能够鉴别各种厚度的薄片（图4.3a），显示了三层分离的石墨烯之间原子台阶为0.35nm（图4.3b）。分离片表现出石墨烯独特的蜂窝结构（图4.3c），与石墨的三角形结构（图4.3d）形成了鲜明的对比。在图4.3c中，也可以看到六个碳原子的蜂窝六角形排列。