二维材料是一大类材料的统称,即层状材料减薄至物理极限厚度的形态,其中最典型的代表就是石墨烯。2004年这种单原子厚度的材料被通过胶带剥离法制备出来,自此,对各种二维材料的研究迅速成为材料领域的一个核心焦点。不同于传统的三维结构材料,二维材料的电子传输可以在一个原子平面内完成,同时,对称和平整的晶格结构使得其展现出许多独特和优越的物理化学性质。如今,二维材料广泛已应用在集成电路、能源、通信、传感、生物医学、航空航天等多个领域。但是单一材料的应用往往受到“短板效应”的限制。如石墨烯电子迁移率极高,但能带间隙为零,开关比较低,因而难以应用于逻辑电路;二硫化钼开关比较大,但电子迁移率较低。这使得人们将探究重点逐渐转移到不同二维材料的异质结。二维材料表面平整,层与层之间以弱于化学键的范德华力结合,可以很容易实现像积木般堆垛的异质结。在本文中,作者以常见的石墨烯、二硫化钼、氮化硼等二维材料为基础,构建了异质结场效应晶体管的器件结构,重点研究了其在光电探测和存储方面的应用。论文以器件应用划分主要包括两部分,第一部分为石墨烯/富勒烯平面异质结结构的光电探测器。石墨烯由于具有较高的载流子迁移率,常用作高速电子和光电子器件的组成材料。但单层石墨烯的光吸收率很低。我们这里选用具有紫外光吸收能力的富勒烯构建异质结来拓宽器件的应用范围。首先以氮化硼作为富勒烯的生长模板,实现了更大晶粒尺寸的材料生长过程。同时以石墨烯作为沟道电极,实现了较高性能的异质结光电探测器。器件的响应度超过1000 A/W,响应带宽为5 k Hz,并可通过改变异质结界面的势垒实现可调谐的光电参数,展示了在视频成像等方面的应用价值。第二部分为硫化钼/氮化硼/石墨烯垂直异质结结构的光电存储器。存储器及信息存储设备是现代数字系统和集成电路的重要组件。传统的基于硅基材料的电子器件通常在尺寸逐渐缩小时会面临短沟道和和功耗等问题。二维材料由于具有原子层级厚度和较高散热系数等特点,在制作更高集成度的纳米级晶体管方面更具优势,有望成为下一代低功耗电子和光电存储设备的基本构建模板。本章节中的异质结通过干法转移的方式搭建,其中硫化钼作为沟道传输层,氮化硼作为电荷隧穿层,石墨烯作为浮栅层,从而构筑了一种闪存结构的存储器。通过外加电压和入射光两种方式进行编程,最终可实现大于10~7的开关电流比,约2 p W的低静态功耗,小于50 ms的较快的读写速度。另外,通过改变外部激励条件,展示了在多位存储方面的应用价值。