在过去的十多年里,石墨烯由于其优异的热学、光学、电学、机械和磁学性能吸引了大量的研究关注,也被广泛地应用于如气体传感器、集成电路、石墨烯晶体管、热导、透明电极和储能等领域。目前,工业化量产的是采用溶液剥离法制备的石墨烯纳米片。这种石墨烯片的应用通常需要被大量地组装在一起制备成宏观尺寸的器件。由于石墨烯片的性能具有形状各向异性,因此只有当所有的石墨烯片都沿一个方向排列时,单个石墨烯片独特的热学、光学、机械和电学性能才可以被充分应用到整个器件中去。过去的研究表明,电场和磁场却可以为低维纳米材料提供灵活的非接触的排列。石墨烯的电场排列已经被证明不是非常有效。尽管通过包裹氧化铁纳米颗粒,已经实现了对氧化石墨烯纳米片的磁场排列。但是,利用石墨烯本征性质的磁场排列仍然是一个挑战。为了克服这一挑战,我们对磁场控制的石墨烯片的取向进行了理论仿真研究。通过溶液剥离石墨的方法制备了石墨烯薄片,并利用其本征的抗磁性实现了石墨烯的磁场排列。在研究了宏观排列石墨烯的各向异性的光学性能之后,制作了一系列光学器件作为应用实例的展示。(1)理论研究了磁场对石墨烯的稳定悬浮和取向控制。我们仿真研究了不同边数的正多边形的石墨烯叠片在四块交叉磁铁上方稳定悬浮的条件。只有偶数条边的正多边形和圆形的石墨烯叠片可以被稳定地被磁场悬浮。我们也通过仿真研究了磁铁控制空气中和液体中石墨烯片的取向。石墨烯片在磁场中受磁力矩作用而翻转,通过控制磁铁与石墨烯的距离和位置可以调节磁力矩的大小和方向。石墨烯片的倾斜角度受磁力矩、样品重量和液体阻力共同影响。理解磁场控制石墨烯薄片的取向的机理将有利于实验上更好地控制排列石墨烯。(2)通过普通商用磁铁的静态磁场实现了石墨烯薄片的取向控制。静态磁场排列的石墨烯展现出宏观的光学各向异性。随后,我们制备了磁场传感器和石墨烯显示器作为两个相关器件应用的实例。石墨烯片的磁场排列来源于其极强的抗磁性。由于石墨烯的磁响应和各向异性的光学反射性能,石墨烯薄片的悬浮液可以被用作磁场传感器,其灵敏度和空间分辨率高于传统的铁屑或铁粉。然后将石墨烯悬浮液封装在玻璃盒中,作为由磁铁或磁场控制的可手写显示器。此外,当它作为反射型显示器工作的时候,不需要额外的背光源或光学偏振片。(3)通过使用一对NdFeB磁铁产生的旋转磁场实现溶液中石墨烯片的平面排列,即石墨烯片沿着一个方向取向并且相互平行的排列。随后证明了平面排列后的石墨烯进一步提升的光学各向异性,并展示了其潜在的新型器件应用。与通过静态磁场实现的石墨烯部分排列相比,平面排列的石墨烯悬浮液具有接近完美的有序度,并且具有高得多的双折射和各向异性的光吸收/透射。将石墨烯同紫外固化胶混合,在紫外光照射后可以将排列的石墨烯固化。在掩膜版的协助下,可以在UV胶中图形化地排列和固化石墨烯,我们进一步展示了一种石墨烯永久显示膜。该显示膜具有互补的透射或反射图形,并且展现出广角显示和高明暗对比度等优点。在三维上图案化地控制石墨烯取向的能力开启了石墨烯的新的性能探索和广泛的器件应用。利用本征抗磁性排列石墨烯推动了排列石墨烯片的基础性能研究。石墨烯的宏观排列不仅可以将石墨烯的独特性质从微观尺度转移到宏观尺度,使得制备宏观尺寸的石墨烯器件成为可能。此外,磁场排列石墨烯为大量石墨烯器件应用例如透明电极、电磁干扰屏蔽、热导和机械增强器件等打开了大门。