石墨烯是单层碳原子以六角形蜂窝状排列的二维材料,具有独特的物理化学特性。石墨烯的比表面积、迁移率和透光性都比一般材料高,机械强度大、导热性也颇为优异,因此在各个领域都有潜在应用。在此基础之上,为了集成多种功能,并探索其它材料与石墨烯的相互作用,人们将不同材料组装、复合到石墨烯上,进一步拓宽了石墨烯及其复合体系的应用范围。目前已有半导体、金属和磁性纳米材料等同石墨烯形成的复合材料。这些材料已在光电转换、能量存储、传感器、电化学催化、光化学催化、磁共振成像造影剂、靶向药物控制释放以及超快光探测器等应用领域展现了令人激动的广阔前景。针对石墨烯纳米结构复合材料的设计、制备、性能调控和应用中的一些重要科学问题和关键技术,我们开展了系统的研究工作。本论文主要包含五章内容。在第一章中,我们回顾了石墨烯的结构、性能、制备方法以及目前存在的问题,归纳和总结了石墨烯复合材料的种类及其制备方法,阐述了本论文选题的背景和科学意义。在第二章中,通过在热注入生长法中加入RGO,我们成功设计和制备出了没有桥连分子的Graphene-CdSe二元石墨烯-半导体复合材料。这一材料具有很好的形态控制和光生电荷转移特性。基于此种复合材料,我们进一步构筑了具有高性能光电响应特征的光电探测原型器件。这一器件响应灵敏、响应速度快(上升沿≤250μs,下降沿～500μs)、工作稳定性好,因此具有很高的潜在应用价值。此外,我们还利用电子转移理论定性解释了该复合材料的光电响应和光淬灭现象。在第三章中,我们通过材料设计,成功将TiO2半导体纳米颗粒和磁性Fe3O4纳米结构集成生长在石墨烯上,从而制备出易实现回收和重复使用的高效有机染料光催化剂——Graphene-TiO2-Fe3O4(GTF)三元复合材料。这一材料展现了良好的功能集成特征：TiO2起光催化作用,石墨烯起增强TiO2催化的作用,而Fe3O4则使该材料易于回收和重复利用。系统研究表明石墨烯可有效分离TiO2中产生的光生电子,减弱光电子向Fe3O4的转移,避免了Fe3O4的光溶解,从而使该复合材料在结构和性能上更加稳定。此外,该复合材料还可以在不同pH值的溶液环境中稳定工作,能够降解多种染料的混合物,甚至可以在太阳光的照射下实现染料的光降解。这些性能使GTF在染料污水的处理方面具有广阔的应用前景。在第四章中,我们仔细探讨了Graphene-CdSe二元复合材料的电荷和输运行为。对Graphene-CdSe输运特性的变温研究表明,尽管修饰有CdSe纳米颗粒,该复合材料的电导依然呈现二维材料的变程跳跃特征。光照可以使CdSe中的光生载流子注入到石墨烯,提高了石墨烯的载流子浓度及其导电能力。对该复合材料的光电流随光功率变化的变温研究发现：当温度较低或光功率较小时,载流子主要通过被电极、深能级缺陷和束缚载流子捕获的方式耗散,此时光电流随光功率呈线性变化；当光功率增大时,载流子浓度增加,导致载流子中电子和空穴直接复合的几率增大,引起光电流随光功率变化偏离线性。在第五章中,我们展望了石墨烯复合材料研究的挑战和发展趋势。