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结构决定性质，显微学在表征石墨烯形貌与结构领域发挥着重要作用，是理解石墨烯结构与其多样的理化性质之间准确的“构效关系”的关键。本章紧紧围绕石墨烯的结构特点，综合介绍了光学显微术、扫描电子显微术、透射电子显微术、原子力显微术和扫描隧道显微术等在石墨烯结构表征中的应用，并从成像原理、空间尺度、空间与时间分辨率、表征效率、制样要求等多个角度对以上不同显微学表征技术进行了横向与纵向对比。通过案例介绍了它们在表征石墨烯层数、晶粒形貌、表面起伏、层间堆垛、缺陷与边缘原子结构等方面的具体应用。
未来石墨烯显微学表征技术的发展可能沿着以下几个重要方向。首先，原位与多元环境下的显微学表征技术可能成为研究热点。随着对生长过程与反应机理研究的不断推进，人们迫切需要通过原位显微学表征技术耦合多元环境场实现对低维材料制备与功能化过程的实时监控，以破解复杂环境下各个参数对于材料结构的影响。其次，将各种对石墨烯结构的显微学表征手段与材料的性质研究进行有机组合，实现材料微观结构甚至是原子结构表征与性质研究之间的无缝衔接，更好地构筑低维材料结构与性能的关系可能是另一个发展方向。最后，结合目前材料基因组工程对于高通量的需求，为显微学表征技术开发合适的人工智能算法，提高数据采集和分析的效率，从而实现从海量数据中提取具有统计学意义的普适、本质规律，这对新材料的底层设计、制备和应用具有重要意义。