Kohlenstoffnanoröhren stellen ein interessantes Allotrop von Kohlenstoff dar, die eine breite Palette von Anwendungen haben können, da sie außergewöhnliche mechanische, elektrische und thermische Eigenschaften aufweisen. Dies macht CNTs zu einem interessanten Nanomaterial für verschiedene Anwendungen, von mechanischen Sensoren bis hin zu elektrischen Mikroelektroden und sogar biologischen Anwendungen aufgrund ihrer biologischen Kompatibilität. Neben den hervorragenden Materialeigenschaften ist die Verwendung einer speziellen Strukturierung dieser Materialien definierter Orientierung von großer Bedeutung. Damit kann man morphologisch reproduzierbare Materialien erhalten, die für Anwendungen besser geeignet ist. Daher wird in dieser Arbeit das kontrollierte Wachstum von vertikal ausgerichteten Kohlenstoffnanoröhren (VACNTs) betrachtet. VACNTs werden auf Si/SiO2-Substraten unter Verwendung einer wasserunterstützten chemischen Dampfabscheidungstechnik synthetisiert. Durch diese Technik werden hochkristalline, reine und mehrwandige CNTs mit weniger Schichten und einer vertikalen Orientierung zum Substrat erhalten. Die Parameter für das Wachstum wurden optimiert, um auch VACNTs mit unterschiedlichen Höhen in einem Syntheseschritt zu ermöglichen. Diese Strukturierung dient dazu, einen nano-mikrostrukturierten haarzellartigen Sensor zu erhalten, der beispielsweise als ein mechanischer Sensor dreidimensionale Kräfte durch den wechselnden Kontaktwiderstand zwischen benachbarten CNT-Bündeln unterschiedlicher Höhe messen kann. Wegen der hervorragenden elektrischen Eigenschaften zusammen mit der stark erhöhten Oberfläche der vertikal ausgerichteten VACNTs wurden sie mit ungeordneten CNTs für Mikroelektrodenanwendungen verglichen. Dabei wird der Vorteil der vertikalen Ausrichtung in der dramatischen Abnahme der elektrischen Impedanz und der enormen elektrischen Kapazitätserhöhung gegenüber planaren Elektroden deutlich. Diese Mikroelektroden wurden in Hinblick auf biologische Anwendungen getestet. Speziell wurde das Wachstum kortikaler Neuronen untersucht. Während CNTs eindimensionale Systeme darstellen, wurden auch zweidimensionale kohlenstoffbasierte Materialien, wie Graphenoxid und reduziertes Graphenoxid, untersucht und sowohl für die Gasadsorption als auch als Flüssigkeitsabsorptionsmittel in Kombination mit bakterieller Cellulose in Form von Aerogelen verwendet. Zum Schluss wurde Phosphoren, als Beispiel für ein zweidimensionales Material, das eng mit Graphen in seiner Struktur verwandt ist, synthetisiert. Phosphoren, obwohl strukturell ähnlich mit Graphen, besitzt im Gegensatz zu Graphen eine Bandlücke, die es zu einem interessanten Material für Feldeffekt-Transistoren macht, wie in dieser Arbeit ebenfalls gezeigt wird.