缺陷(如杂质、空位等)在实际制备的晶体材料中经常会出现，通常都被视为不利因素极力避免或尽量减少。若能对缺陷加以调控，有望使材料衍生出新的特性，因此低维晶体材料缺陷调控也逐渐成为当前重要的研究方向。但如何从原子层级对晶体中的缺陷进行设计进而实现对性能的调控是当前研究中面临的一个重要挑战，对缺陷构型进行原子级可视化解析也是一个难点问题。我们围绕碳基材料的缺陷开展了系统的研究，致力于对异质原子和晶格缺陷进行设计和调控，并通过对微观电子结构的解析建立材料的“结构-性能”关联，取得的进展包括：可控合成了不同原子置换掺杂的石墨烯，建立了缺陷构型的可视化解析方法并发现了新的掺杂构型；发现了由掺杂诱发的增强拉曼散射效应，实现了对有机/无机分子的高灵敏检测并揭示了其增强机制；将碳材料中的缺陷调控理念拓展到了其它二维层状材料体系，设计得到了高性能析氢催化材料和声压探测器件。