分子器件是一类以单个分子或分子聚合体为功能单元所构筑的器件,其有希望突破集成电路的尺寸极限,实现器件的微型化。目前,分子二极管、分子晶体管、分子开关和分子传感器均已被人们广泛研究和报道,但关于分子加热器的研究则少之又少。虽然目前已有各种不同的加热材料来被用于减小加热器的尺寸,但是当这些材料厚度或尺寸急剧减小时,其物理性质会发生变化,不利于其加热性能的发挥。石墨烯作为一种原子级厚度的多元芳香环大分子,其具有超高的迁移率、电流密度、热导率和低的对流传热系数,更能满足分子加热器的基本需求。基于此,人们设计了不同的合成策略,使石墨烯分子能有所应用。相较于其他合成方法,通过化学气相沉积（CVD）法在基底表面沉积的石墨烯分子质量高、尺寸大、层数可控,更有利于加热器件的构筑。同时,由于绝缘材料热导率低且热交换损失小,一般构筑石墨烯加热器需要绝缘材料作支撑基底。然而,由于绝缘基底本身不具备催化活性,在绝缘基底上直接生长的石墨烯结晶性不好且空间分布不均一,电学和热学性质均较差;相较于绝缘基底,金属基底具有优异的催化活性,因此其表面生长的石墨烯结晶性较好,缺陷少。但后续转移至绝缘基底的过程会给石墨烯膜引入破损、褶皱和残胶,这也会影响石墨烯的电学及热学性质。本论文则在绝缘基底内部掺杂微量且离散分布的金属催化剂,保证基底低导电性和导热性的同时提升其催化活性,利用CVD法在绝缘基底表面直接生长大面积原子级厚度的石墨烯分子。由于金属本身具有优异的催化作用,所生长的石墨烯分子质量较好且空间分布均一。同时本文以其作为功能单元构筑石墨烯分子加热器,对其加热性能进行研究。该加热器仅需4.3 V的电压即可加热至400°C的高温,且其温度分布均一、加热速率快、稳定性高。此外,本文通过两步连续CVD法,利用二维材料六方氮化硼（h-BN）作为隔绝层封装石墨烯分子加热器。封装后的石墨烯分子加热器最高加热温度可提升至600°C,远高于石墨烯分子在大气环境下的氧化温度。论文主要内容如下:（1）综述了目前分子器件的功能化应用,微型化加热器的常用材料及石墨烯在加热方面的应用。相较于其他功能的分子器件,分子加热器的发展目前还处于起步阶段,而加热器在日常生活中起着至关重要的作用,因此本文在该部分会重点介绍几类用于减小传统加热器尺寸的材料,对其优点和缺点进行分析,同时重点关注于石墨烯分子在加热器方面的发展现状及所存在的问题。（2）在分析了目前石墨烯加热器普遍存在的问题后,我们设计了一类具有“催化活性”的绝缘基底—表面掺杂微量且离散分布的金属催化剂的绝缘基底,通过CVD法实现大面积、高质量、原子级厚度石墨烯分子的直接生长。随后,我们以其作为功能单元构筑石墨烯分子加热器。由于所生长的石墨烯分子缺陷少,石墨烯内部电荷传输效率增强,进而有效降低其面电阻;同时由于石墨烯大分子分布均一,不会出现因电流密度空间分布存在差异而导致的局部加热现象,因而其所能承受的极限电流增大。这两点最终导致石墨烯分子加热器在4.3 V电压下可升高至400°C,且温度分布均一。由于直接生长的石墨烯分子与陶瓷基底间空隙小,石墨烯分子产生的热量可以有效传递给陶瓷基底,同时外界分子难以进入两者界面间,因而该加热器具有较高的加热速率和化学稳定性。此外,本文还研究了石墨烯分子结构对其加热性能的影响。通过与其他类型加热器对比,进一步证明了本文所构筑的石墨烯分子加热器具有优异的加热性能。（3）针对石墨烯分子在高温下容易被氧化的问题,我们采用两步连续CVD法,利用另一种在高温下更为稳定的二维材料h-BN来对石墨烯分子加热器进行封装。其中h-BN的引入不仅可以有效避免石墨烯分子在高温环境下与氧气相接触,而且不会对下层石墨烯分子的电学及热学性质产生影响,因而封装后加热器最高加热温度可由400°C提升至600°C。同时,该加热器升温和降温速率有所提升,在高温下具有长时间稳定性和可重复性,满足分子加热器的基本需求。