二维原子晶体材料具有的层状平面结构和奇特物理力学性能使其成为近年来基础科学研究的前沿和热点。石墨烯和六方氮化硼(亦称白石墨烯),电学性能互补,在二维原子晶体材料家族中占据着举足轻重的地位。石墨烯具有非常奇特的物理力学性能,但其应用研究还仍待拓展;六方氮化硼作为理想的超薄介电材料,其可控制备还面临巨大挑战。本文着眼石墨烯的功能应用和六方氮化硼的可控制备两大方面内容,利用微纳电学测试、化学气相沉积等实验技术手段,围绕石墨烯的传统流电耦合效应、波动势和拖曳势以及单原子层六方氮化硼和三维六方氮化硼泡沫的可控制备及性能等方面展开了深入系统的研究,取得的研究成果归纳如下:(1)石墨烯的传统流电耦合性能研究:流电耦合效应为流速传感、能量转换器件的构筑提供了一个新的途径。我们发现在伯努利效应和热电效应的耦合作用下,斜吹过石墨烯表面的气流会使石墨烯两端产生和气流速度平方成分段线性关系的电压。石墨烯较高的热电系数使其气流致电压是石墨的二十倍,通过化学掺杂改变石墨烯的热电系数可实现气流致电压的调节。然而,将石墨烯置于液流中时,石墨烯本身并不会产生电压。文献报道的石墨烯液流致生电现象是裸露的金属电极和溶液的相互作用而产生的假象。一旦将金属电极和溶液隔离,便不再会有电压产生。(2)石墨烯中的波动势和拖曳势:经典的流动势动电理论表明没有压力差就不会产生电压。我们发现石墨烯跨过含离子的水溶液表面上下运动时,浸没在溶液内部的石墨烯两端就会产生和运动速度、浸没的石墨烯长度成正比,和离子种类、浓度相关的电势差,即波动势。另外,当溶液液滴在石墨烯表面运动时,石墨烯两端会产生一和液滴运动速度、液滴数目成正比,和离子种类、浓度、液滴尺寸相关的电势差,即拖曳势。运动的气-液-固界面处石墨烯表面双电层形成和消逝的动态过程是波动势和拖曳势形成的物理机制。基于各自对应的物理机制构建的电路模型可以很好的解释观察到的现象。我们还展示了多种基于石墨烯波动势和拖曳势的应用原型器件。(3)单层六方氮化硼的可控制备及晶界:高质量六方氮化硼的可控制备是异质二维材料电子器件亟待解决的关键技术。我们发现在化学气相沉积过程中,单层六方氮化硼的生长和基底材料、构型、气态源分压等密切相关。在铜基底表面,氮化硼的成核密度随着气态源分压的增加而增大,取向随机。随着铜箔间距减小,晶粒形貌从三角形渐变为六边形。通过对晶界的氢刻蚀实现了氮化硼晶界的大范围的光学观测。而在单晶锗表面,氮化硼的晶体取向固定,取向的种类和基底表面对称性相关。摩擦力显微镜可以清晰分辨不同取向晶粒间的晶界。第一性原理计算揭示了相反取向晶粒间晶界不同的理想构型对应的电性。(4)三维六方氮化硼泡沫的制备及性能:超轻材料的应用受限于其介电性及热稳定性。我们通过化学气相沉积,使用泡沫镍作为模板制备得到了多孔结构的三维六方氮化硼泡沫,密度仅为1.6 mg/cm3。氮化硼泡沫具有超弹性,在70%的压缩应变下仍可完全恢复。重要的是其介电常数仅为空气的1.03倍,且在60%的应变范围内基本不变。结合其固有的超高热稳定性,三维六方氮化硼泡沫填补了现有的超轻材料的空白性能。