石墨烯等二维材料因优异的电-磁-热-力等特性引起了人们广泛兴趣,已成为电磁学、热学、力学、材料学及交叉学科非常前沿和热门的研究领域之一,在微纳器件和未来高科技领域展示了广阔的应用和发展前景,如用于可弯曲触摸屏、轻航空器、更快更轻电子器件、微纳异向介质和新型电磁器件等的设计。为在更小尺度下(如纳米)操控电磁波以利于高密度的光学集成,熟悉和掌握电磁波在二维材料中的传播特性和有效激发方式显得尤为重要。为此,本文针对如何利用新型二维材料在微纳尺度下更高效更大自由度地操控电磁波的科学问题,开展了电磁波在石墨烯等二维材料中传播和激发的研究工作,揭示了电磁波在超薄二维材料中反射、透射、折射、传输和激发等一系列新的电磁现象和特性。本文的主要研究内容总结如下:1)二维材料(石墨烯、硅烯、二维层状碳化硅等)能带结构和电磁特性的对比研究。利用第一性原理仿真,讨论不同衬底材料对石墨烯电磁特性影响。揭示二维碳化硅能带随层数变小从间接带隙变成直接带隙;发现多层碳化硅的间接带隙能通过层间不同堆积方式变成直接带隙;直接带隙的获得有助于碳化硅发光器件设计。2)电磁波在二维材料中反射和透射新现象研究。率先提出利用超薄二维材料在无磁响应全介质系统中实现TE波的零反射(TE波布鲁斯特效应);提出单层石墨烯在外加磁场下能实现左右圆极化波隔离,为微型化非互易器件设计提供理论指导。3)超短波长电磁表面波在二维材料中的传播研究。将宇称-时间对称性(PT对称)概念引入石墨烯表面等离子体激元,发现系统损耗增加反而能延长其传播长度;定量讨论二维表面等离子体激元的能量分布,揭示超过50%电磁能量聚集在单原子层二维材料中;并从能量分布角度直观解释PT对称破缺。率先在石墨烯-氮化硼异质结构中展示了石墨烯表面等离子体激元、氮化硼声子激元、等离子体-声子-杂化激元三者之间的负折射;这为在纳米尺度操控电磁波提供了更多选择。4)高速带电粒子轰击二维材料的瞬态电磁响应研究。揭示高速电子垂直穿过石墨烯的瞬态电磁辐射过程,发现此过程类似于流体力学中的水花飞溅(splashing)过程;引入形成时间(formation time)和形成空间(formation zone)等概念讨论二维表面等离子体激元在有限时空中如何形成;发现部分辐射的电磁能量在石墨烯表面等离子体激元形成前已被损耗,揭示表面等离子体激元的能谱与电子能量损失谱之间不等价。