为了使光电子器件不断趋向微型化和集成化,研究者们在硅基半导体的基础上不断拓展对新型材料的研究,而低维材料由于其独特的光电磁热力等性能,逐渐成为当今科学研究的前沿。石墨烯作为二维材料的典型代表,其具有的可调控性、超高载流子迁移率、双极性行为、量子霍尔效应、超导和范霍夫奇异等特点,使其成为未来纳米光电器件的热门备选材料之一。目前尽管基于石墨烯的光电子器件种类繁多,如场效应晶体管、光电探测器、气体传感器等,然而,石墨烯材料由于缺乏带隙,无法满足逻辑器件足够大的开关比和晶体管的导通电流,其在逻辑器件方面的应用受到了很大的限制。因此为了弥补这一缺陷,研究人员将重点课题集中在寻找其他与石墨烯相类似的二维材料上。与构成石墨烯的碳同为第IV主族的硅、锗和锡等元素有相似的电子结构,均能够形成类似石墨烯的单原子尺度厚的二维材料,其相应的二维材料都具有奇特的物理性质以及化学性质,同时由于硅烯、锗烯和锡烯在结构上存在褶皱,使得其与基底的集成方面更具有优势。近期研究表明硅烯的能带结构在外部横向静电场的作用下是可以调控的;锗烯中的载流子与面内的声子存在弱耦合作用,以及锗烯的较大屈曲结构,使得锗烯的固有载流子迁移率要明显高于硅烯;而锡烯由于其强的自旋耦合轨道作用,其在室温下具有拓扑绝缘效应、热电效应、拓扑超导性以及异常量子霍尔效应等奇特性质。因此硅烯、锗烯、锡烯备受科研人员的关注,有望开发出下一代优异性能的驱动、探测、传感、存储和能量转换的光电子器件。然而由于硅烯、锗烯和锡烯在制备工艺的不足以及室温下的不稳定性,它们在半导体和光电子工业领域的应用受到了一定的限制。目前基于石墨烯的相关理论已日渐完善,对石墨烯研究的侧重点集中在设计出具有更加优异性能的光电子器件方面;而对于硅烯、锗烯以及锡烯等类石墨烯单原子二维材料,由于其制备方式的不完善,对其本身的性质研究仍需进一步深入,因此我们在本论文中集中对硅烯、锗烯和锡烯在不同基底上表现的光学性质进行了研究,同时在此基础上还研究了基于这些性质的光电器件,为下一步开发新一代光电子器件提供了理论基础和开发思路。本论文的研究内容主要包括以下几个方面:1.基于石墨烯材料的超高灵敏度折射率传感器设计研究提出了一种由单层和多层石墨烯作为核心材料的工作于中红外波段的可调谐衍射光栅结构。该结构由二氧化硅周期性沉积在硅衬底上组成,石墨烯附着在周期性分布的二氧化硅上。研究表明,这种结构在中红外区域的特定波长具有强烈的共振吸收能力,对周围环境微小折射率的变化也有很强的敏感性。基于此结构的折射率传感器灵敏度可达7370nm/RIU,是目前为止所报道的同类型折射率传感器中灵敏度最高的。该折射率传感器可以应用于对灵敏度要求极高的生物传感、流体检测等相关领域。2.硅-锗-石墨烯光子晶体波导中的高效四波混频增强效应研究与目前广泛应用的光-电-光信号处理相比,全光信息处理在速度上具有巨大的优势。提出了一种以单层石墨烯为纤芯,在其外围以硅和锗周期性分布作为包层的光子晶体波导。在这种波导结构中石墨烯材料可以通过激发局域等离子体来增强波导中的电磁场场强,外围的包层可以引入慢光效应来降低波导中的传输损耗,这两个因素共同导致该结构的光子晶体波导中四波混频效率的提高。研究表明与不含石墨烯的硅波导相比,该结构的四波混频转换效率可提高16d B。该结构为全光信号处理和高效非线性纳米器件提供了一个全新的解决思路和设计方案。3.硅烯-介质界面的光学特性研究与石墨烯不同的是,在外部横向静电场条件下,硅烯的带隙是可调控的。同时在纳米器件应用中,硅烯与现有的硅纳米技术的兼容性和集成方面更具有优越性。本论文利用复表面电导率来表征硅烯的性能,研究了从红外到紫外频率范围内硅烯-介质界面的光学特征。通过综合考虑TM偏振（偏振沿X方向）和TE偏振（偏振沿Y方向）的平面波正入射到硅烯-介质界面我们发现,在紫外波段范围内两种情况下的反射率和透射率对波长十分敏感且吸收率极高,而在红外波段范围内,该硅烯-介质界面反射率和透射率会达到一个相对恒定的值。在硅烯-硅界面中,红外范围内的反射率和透射率常数分别为31%和69%,在硅烯-锗界面中,红外范围内的反射率和透射率常数分别为37%和63%。同时不同系统的吸收率在TE偏振的条件下要明显低于TM偏振时的吸收率。硅烯在波长大于0.5μm的范围内可显著提高硅基底的反射率,降低硅基底的透过率;硅烯在红外到紫外的宽波段范围内均可显著增加锗基底的反射率,而在红外范围内对锗基底的透过率的降低作用较为强烈。因此,硅烯材料在光电工业中作为传感器、探测器、滤波器和紫外吸收器等具有潜在的应用前景。4.锗烯在金属基底界面的光学特性研究锗烯具有超高的本征载流子迁移率的特点。由于锗烯在狄拉克点的带隙要明显高于硅烯,使得锗烯能够在较高温度实现量子霍尔效应。本论文研究了锗烯在金属基底上的从红外到紫外波段的光学特征,利用复表面电导率来表征锗烯的性能。研究表明TM偏振的平面波正入射到锗烯-银界面上时的吸收强度明显高于TE偏振的情况,且较高的吸收波段位于紫外光和可见光不同的波长范围。这一结果可在实际中针对不同波段采用不同的偏振来对其进行吸收。两种偏振条件下锗烯都能显著增强银基底的反射率至接近100%,但TM偏振的条件下界面达到100%反射时的波长要小于TE偏振,提升作用也更为强烈。5.基于锡烯的完美吸收器设计研究锡烯是第IV族中位置较深的锡元素的二维结构材料。作为类石墨烯二维材料,其具有更高的自旋轨道耦合作用,引起了科研人员的广泛关注。本论文设计了一种基于锡烯的完美吸收器,该结构由最顶层的锡烯,中间的介质层以及最底层的金属Au基底组成。锡烯的性质用复表面电导率模型来表征。研究表明该完美吸收器的吸收率能够达到99.95%左右,介质层的折射率和厚度对吸收性能的影响也进行了研究,折射率的增加会使得该完美吸收器的共振波长红移,相反,介质层厚度的增加则会导致其共振波长的蓝移。同时该完美吸收器对于入射光的角度不敏感,在0～40°的宽角度范围内均具有较高的吸收效率。该结构可应用于光电探测器、热成像、太阳能热光伏转换发射器、抗反射涂覆层等领域。