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2004年石墨烯的剥离是二维材料研究领域中里程碑式的工作。自由状态的石墨烯具有诸多优异的物理化学特性，例如极高的强度、极高的载流子迁移速率、极高的光透过率等等，在诸多方面例如高频纳电子器件、单分子探测、光电子器件展现出了广阔的应用前景。石墨烯的研究与应用也因此受到了广泛的关注，在过去10年中飞速发展。石墨烯的发现人之一海姆(Geim)教授在接受美国有线电视频道的一次采访中提到:“我不敢预测未来，但如果过去十年的发展速度可以作为一个依据的话，我们很快就可以在各个地方见到石墨烯了”。 与此同时，其他一些新型二维材料也开始进入人们的视线。研究发现一些类似石墨烯的可从层状体材料剥离得到的二维材料如氮化硼、二硫化钼以及一些外延二维材料例如硅烯、锗烯等都可能具有优异的物理特性，这也掀起了一股研究二维材料的热潮。目前研究的一大热点是将具有不同特性的二维材料组合在一起，这可以实现原子层级别可调控的功能异质二维结构，达到通过不同设计构建功能二维异质材料的目的。 本文的主要工作是利用超高真空低温扫描隧道显微镜(STM)结合密度泛函理论(DFT)计算研究基于石墨烯的二维异质结构体系中的一些基础问题。主要内容如下: 第一章首先简要阐述了本文工作展开的背景基础，回顾了石墨烯制备方法、物理性质和表征方式，并对本文工作所采用的主要表征手段—扫描隧道显微镜—的原理和仪器设备做了介绍; 第二章详细介绍了C60分子层/石墨烯异质结构的构建与研究。结合STM表征与DFT计算验证了C60分子在石墨烯/钌(0001)基底表面的生长是分子间相互作用主导和分子与基底间相互作用调制的共同结果，解释了C60分子层状生长和形成超结构的原因，并指出了构建多层C60分子或复合分子/石墨烯异质结构的可能性; 第三章以Si在石墨烯/钌(0001)界面的插层为模型体系，结合低能电子衍射(LEED)、拉曼（Raman）和STM等表征手段以及DFT计算模拟详尽地分析了Si原子插层过程的物理机制，首次从原子层面提出了完整的外延石墨烯插层模型，阐明插层过程是由吸附原子和基底的协同作用下通过打开缺陷、经由缺陷向界面扩散以及缺陷的修复等过程实现的，并将这种插层机制推广到了其它插层体系，证实了这种插层机制在众多插层体系中的普适性; 第四章在第三章提出的插层机制基础之上进一步讨论了插层Si原子在界面的排列结构，同样结合STM与DFT计算验证了Si原子在界面处可以形成硅烯的纳米片段、单层以及双层结构。这种方法不仅利用石墨烯保护了化学性质活泼的硅烯，还证实了通过插层的方式构建石墨烯/硅烯二维异质结构的可行性，提供了利用插层进行二维异质结构构建的新思路，相比当前的人为层状材料组合的方式而言有着更加高效与清洁的优势。