由于单层石墨烯理论厚度很小，在扫描电镜中很难观察到。原子力显微镜是表征石墨烯片层结构的最有力、最直接有效的工具。它可以清晰的反映出石墨烯的横向尺寸、面积和厚度等方面的信息，但一般只能用来分辨单层或双层的石墨烯。
原子力显微镜可以表征单层石墨烯，但也存在缺点：耗时且在表征过程中容易损坏样品；此外，由于C键之间的相互作用，表征误差达0.5nm甚至更大，这远大于单层石墨烯的厚度，使得表征精度大大降低。
由于石墨烯厚度仅为1个至几个原子层，晶体的缺陷和表面吸附物质的不同，都会引起表征结果的不同。在实际研究中，往往需要根据需要选取合适的表征方法把得到的结果互相比较，互相印证才能得到关于石墨烯的准确信息。
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