表面等离子体激元（SPPs）是由入射光与自由电子的集体振荡耦合产生的,并沿着金属和电介质表面进行传播。近些年,科学家们发现石墨烯在太赫兹到中红外波段同样可以支持SPPs,并且石墨烯表面等离子体具有高可调性、高局域性和大的场增强等优点。因此石墨烯表面等离子体成为了中红外波段高性能可调光电子器件的理想材料。本文主要研究中红外频段的石墨烯表面等离子体,并设计相关超材料,探讨其性质和应用,主要工作内容如下:首先,本文研究了石墨烯及石墨烯表面等离子体的基本性质,并且研究了石墨烯的电导率和石墨烯表面等离子体的激发方式,为分析和设计高性能的中红外石墨烯表面等离子体超材料奠定了基础。其次,在上述理论的基础上本文提出了一种基于等离子体杂化效应的可调谐石墨烯超材料结构,可以在中红外频段处激发双波段共振。接着本文研究了结构参数对双波段共振峰的影响,并讨论了这种超材料的可调性。并且本文研究了提出的超材料用于传感的性能,计算结果表明双波段共振峰的灵敏度可以达到550 cm^-1/RIU,FOM可以达到20.4。这项研究能够促进多物质检测领域的发展。最后,本文利用等离子体诱导透明（PIT）效应,设计了两种应用在中红外波段的石墨烯表面等离子体超材料,分别为圆环-对称扇形盘结构和SRR-双纳米带结构。本文解释了两种结构实现PIT的原理,并且分析了它们的可调性和结构参数产生的影响。本文还讨论了其用于传感的性能,计算结果表明圆环-对称扇形盘结构超材料的灵敏度可以达到574 cm^-1/RIU,FOM约为28.7。而SRR-双纳米带结构超材料的灵敏度约为300cm^-1/RIU,FOM约为21.4。因此这两种结构都可以实现高灵敏的传感应用。