表征石墨烯的手段主要有透射電子顯微鏡（TEM）、Ｘ射線衍射（XRD）、紫外光譜（UV）、原子力顯微鏡（AFM）、拉曼光譜（RAMAN）、掃描隧道顯微鏡（STM）及光學顯微鏡等。其中，XRD和UV均可對石墨烯的結構進行表征，主要用來監控石墨烯的合成過程；而表征石墨烯的層數可以采取的手段有TEM、RAMAN、AFM、光學顯微鏡和STM等。
透射電鏡（TEM）
采用透射電鏡，可以借助石墨烯邊緣或褶皺處的高分辨電子顯微像來估計石墨烯片的層數和尺寸,下圖中可以直接觀測到不同層數的石墨烯電鏡圖像。
優勢：簡單快速。
劣勢：只能用來估算，無法對石墨烯的層數給予精確判斷。
尤其是在對比度不那么明顯的情況下，高分辨TEM無法精確判斷石墨烯的層數，特別是單層和雙層。
劣勢彌補：結合電子衍射（ED）或低能電子損失譜（EELS），則可對石墨烯的層數做出比較準確的判斷。
TEM-ED
方法：通過改變入射石墨烯的電子束方向，通過在不同電子束入射角的情況下石墨烯衍射斑點強度的變化規律來判斷樣品的層數。
原理：當改變電子束入射方向時，單層石墨烯的各個衍射斑點的強度基本保持不變，而對于雙層以及多層的石墨烯，由于層間干涉效應的存在，電子束入射角的改變會帶來衍射斑點強度的明顯變化，可用倒易空間模型進行解釋。
優勢：對于多層石墨烯的堆垛方式沒有區分，也就是說不管多層石墨烯是AA、AB或ABC堆垛的，均可采用改變電子束入射角的方法來與單層石墨烯區分開。
對于AB堆垛的雙層石墨烯與單層石墨烯的區分，電子衍射的方法可以更簡單一點，不用改變電子束入射的方向，只要通過觀察電子束垂直入射情況下電子衍射的斑點強度的比值，就可以將單層石墨烯與雙層石墨烯（AB堆垛）區分開。在單層石墨烯的衍射花樣中，形成最內層六邊形的6個衍射斑點與次內層的6個衍射斑點強度大致相等。而在雙層石墨烯（AB堆垛）的衍射花樣中，次內層衍射斑點的強度約為最內層的2倍。
劣勢：對AA堆垛的石墨烯來說，在電子束垂直入射時，其電子衍射與單層石墨烯無明顯差異，無法進行區分。
TEM-EELS
案例：Gass等首先在TEM下觀察石墨烯薄片，然后對較干凈的不同襯度的區域分別采集了EELS譜圖，對譜峰強度進行計算，發現其強度比值約為1:2:5，即對應的石墨烯層數比值約為1:2:5。然后他們采用HAADF-STEM證明了中間最薄區域為單層石墨烯。
劣勢：這個方法并不好用，HAADF-STEM只有得到高分辨像才能反映材料真實的原子柱排列情況，但超高分辨率像不容易獲得，且單靠圖像也不大能令人信服，而且樣品中也必需有單層石墨烯。
相關學習文獻：
[1] Meyer, J. C., et al. "On theroughness of single-and bi-layer graphene membranes." Solid State Communications 143.1-2 (2007): 101-109.
[2]Meyer, Jannik C., et al. "Thestructure of suspended graphene sheets." Nature 446.7131 (2007): 60.
[3]M H Gass， U Bangert， A LBleloch et al． Nat． Nanotechnol．，2008，3: 676 ～681．