石墨烯，一种由单层碳原子构成的二维蜂窝状结构，2004年被成功地从其母体石墨中剥离出来，成为了第一个真正意义上的二维原子晶体。在过去的十年间，石墨烯已经成为材料科学界最火热的明星，并且在世界范围多个不同领域内引起了广泛关注。它的诸多奇异性质，例如高表面积，高热导，超高载流子迁移率和量子霍尔效应，使得石墨烯在电子学，光学，能量产生和存储，传感器和生物科学等领域具有巨大的应用潜力。石墨烯的发现和成功激励人们探索和研究其他非凡的二维原子晶体材料，这其中包括六角氮化硼，四主族类石墨烯材料（例如硅烯和锗烯），层状过渡金属二硫属化合物（例如二硫化钼）等。本论文主要关注于这些新型类石墨烯二维原子晶体，通过低能电子衍射，扫描隧道显微镜，扫描透射电子显微镜，角分辨光电子谱，拉曼光谱等表征手段结合第一性原理计算研究它们的制备方法，结构特性和电子性质。　　1)石墨烯研究的巨大发展激励人们研究与其类似的二维原子晶体—由非碳元素构成的平面蜂窝状材料。本文在国际上报道了铂Pt(111)表面制备和研究单层锗烯薄膜—石墨烯的锗基对应物。首先，高纯度的锗单质被沉积到干净的Pt(111)表面，之后通过对样品退火处理工艺的控制，在样品表面获得了二维有序的锗超结构。这个结构被低能电子衍射(LEED)和扫描隧道显微镜(STM)观测结果证实为相对于基底的(√19×√19)超结构。基于密度泛函理论的第一性原理计算揭示了在Pt(111)表面上锗烯蜂窝状结构的二维连续性。因此，实验观测结合理论计算证实了在Pt(111)表面上形成的锗烯是一个具有翘曲构型的二维连续薄膜。　　2)文献报道的二维蜂窝状材料几乎都是由p电子元素构成的（例如由碳构成的石墨烯，硅构成的硅烯，氮和硼构成的六角氮化硼等），由d电子元素构成的二维蜂窝状结构鲜有报道。本文尝试挑战这一传统观念，突破蜂窝状结构只能由与碳元素具有相似化学性质的元素构成的现状，成功地在铱Ir(111)表面制备出了过渡金属元素铪(Hf)的蜂窝状结构——铪烯。LEED和STM观测结果揭示，Hf形成了自己的蜂窝状晶格，并且Hf-Hf最近邻原子间距与块体Hf中的原子间距十分吻合。总电荷态密度计算进一步揭示了Hf原子之间的共价键结合，该共价键维持了Hf的蜂窝状晶格的稳定。我们称这种类石墨烯二维蜂窝状材料为铪烯。　　3)单层过渡金属二硫属化合物(TMDs)由于其有趣的物理性质和其在（光）电子学，自旋电子学，催化反应等方面的潜在应用引起了人们的极大关注。本文报道了通过直接硒化Pt(111)基底的办法，成功制备出了高质量单层二硒化铂(PtSe2)，一种新的过渡金属二硫属化合物。本文的制备方法比以前报道的TMDs制备方法更简捷。我们利用XPS、STM、STEM等实验表征手段结合第一原理计算，系统研究和揭示了Pt(111)表面单层PtSe2的形成过程、精细原子结构和界面特征。ARPES测量第一次在实验上证实了单层PtSe2的半导体性质（块体PtSe2是半金属）。亚甲基蓝光降解实验展示了单层PtSe2的光催化活性，揭示了它作为光催化剂的实际应用前景。此外，圆偏振计算预言了单层PtSe2在谷电子学研究方面的潜力。　　4)过渡金属表面外延生长法是一种有效的制备大面积高质量石墨烯的方法。然而，外延石墨烯和金属基底之间通常存在较强的相互耦合作用，它会破坏石墨烯在费米面附近的线性色散关系，影响石墨烯的本征电子性质。本文报道了一种在石墨烯和金属界面处引入缓冲层的方法，它可以有效减弱或屏蔽这种相互耦合作用，实现石墨烯从金属基底上的去耦合。根据STM和LEED观测结果发现，沉积在石墨烯表面的Hf原子一旦给予退火处理，它们就会插入石墨烯和金属基底之间的界面处，并形成一种新的界面超结构。拉曼光谱揭示出这种插层的石墨烯显示出了本征石墨烯的典型特征。本文的研究表明Hf插层可作为一种石墨烯和金属基底的界面缓存层，可有效恢复了石墨烯的本质电子性质。