随着现代信息技术的不断发展,对光电子技术及应用,特别是红外光电探测技术提出了更多的要求。传统的基于硅或III-V族半导体薄膜的红外光电探测器因制造工艺复杂、成本高、工作温度低等诸多限制,已不能满足日益增长的实际应用需求。随着石墨烯等二维材料的不断发现,因其丰富的种类、优异的机械柔性、独特的电学与光学性质、易加工和易集成等诸多优点,被广泛应用于光电探测领域,有望弥补传统半导体薄膜器件的不足。尽管如此,基于二维材料的红外光探测器的设计与制备仍面临一些科学和技术挑战。首先,也是最重要的,虽然二维材料光响应范围广,但是其光吸收率绝对值较低,特别是在红外波段,导致器件的光响应度低。现有研究表明,利用表面等离激元与入射光产生共振时可极大地增强局域电场,或通过堆叠不同材料形成异质结构,以增强光与二维材料之间的相互作用,提高器件的响应度。然而,现有二维材料光电探测器的制备工艺复杂,且图形化过程会损坏二维材料的一些固有电学或光学特性。基于此,本论文以石墨烯和超薄二硫化钼两种典型二维材料的光电探测器为研究课题,以增强器件在不同红外波段的探测性能为目标,较系统地研究了几种不同结构的光电探测器,从材料的获取、器件的设计与微纳加工、器件性能的调控入手,深入研究材料的带隙调控、载流子输运行为、界面电场分布、器件的探测性能之间的内在联系及相关物理机制。具体如下:首先,初步探索了二维材料的获取及其光电探测器的制备工艺。在不同衬底上获得了湿法转移的高质量单层石墨烯,提供了一种无褶皱和破损转移CVD生长的二维材料的通用方法。利用配有微距控制的光学显微镜的二维材料转移平台,采用干法精确转移及堆叠各种方式获取的二维材料,为异质结的堆叠及器件的制备奠定基础。同时,利用无掩膜直写光刻技术和反应离子刻蚀技术,可对各种电子薄膜及二维材料微纳加工,以满足各种不同需求的器件图形化,结合上述二维材料的制备与精确转移技术,可作为二维材料光电子器件系统化加工的平台。第二,研制了一种单层石墨烯/周期铁电条带畴结构的可调红外光电探测器。首先利用有限元分析法进行电磁场仿真计算,提出了周期铁电条带畴结构可有效激发并调控石墨烯表面等离激元的新方法,这种方法无需图形化石墨烯或引入纳米金属阵列。当周期铁电畴条带阵列结构与入射光波长匹配时,所激发的石墨烯表面等离波与入射光产生共振,极大地增强了石墨烯和入射光之间的相互作用。和均一极化的铁电畴相比较,当铁电畴阵列的周期为50 nm时,理论上可将石墨烯的光吸收率由1.5%提高至38%。在室温条件下,所设计的器件理论探测率高达10¹³Jones数量级,与现有商业低温红外光电探测器相当。同时,得益于铁电畴易于擦写的特性,因此可简单地通过改变周期铁电条带畴的结构,理论上可实现在5²0μm超宽范围内调控器件光响应的选择性吸收峰位置。进一步地,本论文以实验证实周期铁酸铋（BFO）铁电条带畴在纳米分辨率有效调控石墨烯载流子行为。实验结果表明,当BFO铁电畴条带周期由1μm逐步减小至200 nm时,石墨烯选择性吸收峰的位置可由8.5μm调控至7.2μm,无需栅压调控或图形化石墨烯或引入纳米金属结构。同时,基于该结构的器件在⁸.5μm光照时,其响应度和探测率分别可达到³0 mA W^-1与1.67×10⁹ Jones,与现有石墨烯等离子光电探测器性能相当。第三,研究了金属纳米颗粒增强少层二硫化钼在近红外波段的光响应及其光电探测应用。首先,利用无模板磁控溅射技术在超薄的二硫化钼片上制备了分布均一、尺寸可控的纳米金颗粒。当引入的纳米金颗粒激发的表面等离激元与入射光共振时,极大地增强了金颗粒与二硫化钼界面处的局域电场,在700¹600 nm波段内,有效地提高了二硫化钼与光之间的相互作用。当980 nm光照时,器件的响应度可达到64 mA W^-（16）。第四,研制了一种基于阶梯状二硫化钼/硅的垂直异质结。利用快速退火技术,将重掺杂的p型硅上转移的机械剥离的超薄二硫化钼图形化为垂直阶梯状,这种特殊结构的异质结,相当于不同厚度与尺寸的二硫化钼多次堆叠在硅片上,且形貌与厚度可简单地通过快速退火时间来控制。器件在405⁹80 nm范围均有较强的光响应,有效地拓宽了单一二硫化钼的光响应范围。当808 nm光照时,器件的响应度可达到746 mA W^-1,高于MoS₂-Si平面异质结(532 nm光照时响应度约为235mA W^-1)。同时,该结构的器件拥有较快的响应时间,其光响应上升和下降时间分别为¹78μs和¹98μs,优于二硫化钼其他结构的近红外光电探测器。