面外杂原子引入缺陷
在化学气相沉积或者强氧化的条件下，由于过程中使用了金属元素或者含氧的氧化剂，石墨烯表面不可避免引入了金属原子或者含氧官能团等。这些杂原子以强的化学键或者弱的范德华力与石墨烯中碳原子发生键合，构成了面外杂原子引入缺陷。相关研究证实，金属原子构成的面外杂原子引入缺陷在石墨烯表面可以发生明显的迁移运动。图1-7显示了使用透射电子显微镜观测到的这种运动，其中L为铂原子，E为铂原子簇。从图中可以看出，在290s的观测时间内，铂原子发生了明显迁移，铂原子簇也分裂为更小的簇在石墨烯表面运动。
除金属原子外，由于强氧化剂导致的面外杂原子引入缺陷则是一种使石墨烯原有性质（如电性质，力学性质，分子组装性质）发生更大变化的缺陷。一般来说，这样的缺陷杂原子为氧原子或者羟基、羧基等含氧官能团。这种缺陷来源于石墨烯的一类制备方法-Hummers法。此方法源于Hummers对于氧化石墨制备方法的研究，虽然后期有很多研究者针对石墨烯对此方法进行了改进，但基本工艺路线类似：使用强氧化剂（如浓硫酸，浓硝酸，高锰酸钾等）对石墨进行处理，石墨片层在强氧化剂作用下被剥离并带上含氧官能团后，利用还原方法（如热还原，还原剂处理等）对含氧官能团进行消除，从而达到制备石墨烯的目的。
经强氧化剂处理后，带有杂原子氧引入缺陷的石墨烯结构图。经强氧化剂制备处理后得到的含有氧官能团的石墨烯，在水中分散性很好，这点与石墨烯有很大不同，基于这种材料的特殊性和广泛的应用前景，这种材料有自己另外的名称-氧化石墨烯。
事实上，石墨烯上被引入的氧原子在后续还原过程中很难被完全脱除，无论热还原还是使用还原剂，最终制备出的石墨烯总会含有一定量的残余氧，这些氧的含量及存在形式可以使用光电子能谱表征出来。进一步对还原后氧化石墨烯的拉曼光谱研究显示：还原后的氧化石墨烯代表缺陷结构的峰ID与代表规整石墨烯的峰IG比值基本没有变化，甚至比值增大。这意味着还原处理后，石墨烯缺陷相对含量没有变化甚至含量增加，这是由于氧原子脱除时会同时脱除碳原子形成空洞，造成本征缺陷所致。
面内杂原子取代缺陷
一些原子如氮、硼等，可以形成三个化学键，因此可以取代石墨烯中碳原子的位置，这些杂原子构成了石墨烯面内杂原子取代缺陷。图1-9展示了拥有这样缺陷的石墨烯分子结构模型。当然，通过方法控制，不但能使石墨烯中单独存在氮或者硼缺陷，还可以让其同时存在。
事实上，氮原子和硼原子是研究者通过方法控制故意引入到石墨烯中的，这样做的原因是：研究发现拥有氮和硼杂原子缺陷的石墨烯在催化活性和导电性等方面性质优异。
石墨烯缺陷的形成原因
总结目前的研究，石墨烯缺陷的形成原因可以分为三种情况：粒子束轰击引发、化学处理引发及晶生长缺陷。以下将分述这三种情况。
粒子束轰击引发：
正如前面讲到石墨烯本征缺陷的结构时提到的那样，当具有合适能量的电子束轰击石墨烯表面时，石墨烯上碳原子由于能量作用离开碳六元环，这些碳原子或者完全离开石墨烯表面，或者在表面进行迁移，弥补或者形成新的缺陷。不难理解，既然电子束可以使碳原子脱离其在石墨烯中的原始位置，也可以作用于造成石墨烯外引入缺陷的杂原子上，从而影响石墨烯杂原子缺陷。
目前，已有基于此种理解利用电子束还原氧化石墨烯的研究出现。当然，不止是电子束，如果能量适合，离子束，γ射线等也可以作用于石墨烯，产生相应的缺陷变化。
化学处理引发
正如在石墨烯杂原子引入缺陷中讨论的一样，为了制备石墨烯或者对石墨烯进行改性，有些时候会使用含有氧、氮、硼等元素的化学试剂或者气氛处理石墨烯，这些处理不可避免的向石墨烯中引入了杂原子缺陷。当然，这些缺陷有时候是因为制备石墨烯的工艺路线限制不可避免的引入（如使用Hummers法制备氧化石墨烯后再还原），有些则是出于改性石墨烯的目的，故意引入的缺陷（如向石墨烯中引入氮原子或者硼原子以改善石墨烯性能）。
晶生长缺陷
采用化学气相沉积的方法可以制备出大尺度，低缺陷的石墨烯。在目前的各种大量制备石墨烯的方法中，此方法制备出的石墨烯在拉曼光谱的测试中表现出了很低的相对缺陷，是一种非常有前景的制备方法。但是，此方法下，石墨烯的制备实际上是通过碳原子在金属表面进行沉积组装完成的，由于沉积的随机性，不同区域生长的石墨烯无法保证具有统一的晶延伸取向，这样的结果是：当各区域石墨烯生长到一定大小开始出现交叉并域时，晶取向的不同将导致石墨烯线缺陷的形成，这种缺陷长度较长，使制备出的石墨烯无法在超大尺度上成为均匀的无缺陷二维晶体。另外需要指出的是，虽然化学气相沉积能够制备出低缺陷的石墨烯，但如何简单的把制备出的石墨烯从金属表面无损坏的剥离用于其它研究是个较大的挑战。
