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近十几年来，随着纳米光子学及纳米电子学不断发展，低维半导体材料如石墨烯（Graphene）、二硫化钼（MoS2）及二硒化钼（MoSe2）等，由于其独特物理性质，为开发下一代纳米光电子器件提供了新机遇。聚偏二氟乙烯（P(VDF-TrFE)）是一种性能优良的有机铁电电介质材料，被广泛应用于存储器、传感器和探测器等领域的研究。本论文主要围绕有机铁电聚合物-低维半导体材料体系下的光电子器件及相关机理开展工作，重点研究了基于P(VDF-TrFE)调控下，低维半导体光电子器件的制备与性能改善。具体包括：P(VDF-TrFE)调控下的低维半导体光电探测器、P(VDF-TrFE)调控下的MoSe2非易失性铁电存储器、P(VDF-TrFE)调控下的二维材料负电容场效应晶体管以及P(VDF-TrFE)调控下的石墨烯场效应晶体管。主要分为以下几个方面： 1、利用P(VDF-TrFE)剩余极化所提供的强局域电场，研制了P(VDF-TrFE)调控下的高灵敏、宽波段MoS2光电探测器。MoS2的禁带宽度为1.2–1.8eV之间，具有优异的光电导特性，非常适用于光电探测器件制备。然而，MoS2在光电探测应用中受限于背景载流子浓度，暗电流较高，制约了此类器件的探测率进一步提升。此外，受限于MoS2带隙范围，限制了其探测波段。针对这些问题，利用P(VDF-TrFE)作为栅电介质研制出少层MoS2场效应晶体管型光电探测器件，在P(VDF-TrFE)剩余极化电场作用下，不仅可实现对MoS2沟道中载流子的完全耗尽，有效地降低了暗电流，而且在极化电场所产生的强局域电场作用下，使MoS2的禁带宽度变小，进而拓展了器件探测波长。研究结果表明，P(VDF-TrFE)调控下的MoS2光电探测器的探测率可达2.2×1012Jones，探测截止波长由原来的850nm拓展至近红外（1550nm），对可见光的响应率高达2570A/W，并且具有低功耗、响应速度快、可靠性强等特点。此外，基于类似结构，开发了一系列基于P(VDF-TrFE)调控的低维半导体光电探测器，包括其它二维材料和一维纳米线材料，均取得了优异的光电探测效果，表明该方法属一类具有普适性光电探测技术。该技术为低维半导体材料在光电探测领域的开发和应用提供了新的思路和方法。 2、利用P(VDF-TrFE)的极化特性，制备了P(VDF-TrFE)调控下的MoSe2非易失性铁电存储器。器件采用P(VDF-TrFE)为栅电介质，MoSe2为沟道的场效应晶体管结构。当MoSe2为单层时，器件读写开关比可达105，保持性能超过2×103s，疲劳特性在104次以上，并且具有翻转速度快等特点。此外，还系统地研究了MoSe2层数对器件存储性能的影响。随着MoSe2层数增加，器件存储性能会产生一定程度衰退。当MoSe2的厚度达到5nm时，器件仍具有103读写开关比。本部分研究内容，基于铁电场效应晶体管结构，将二维半导体材料MoSe2融入其中，获得了具有优越性能的非易失性铁电存储器，并为探索二维材料厚度对器件性能的影响提供实验基础和科学依据。 3、利用P(VDF-TrFE)的负电容效应，研制了P(VDF-TrFE)调控下的二维材料负电容场效应晶体管。具体是指获得基于金属-铁电-半导体（MFS）结构的MoS2和MoSe2负电容场效应晶体管，当晶体管源漏偏压为0.1V时，器件亚阈值摆幅达到24.2mV/dec，并跨越了4个数量级，远低于传统场效应晶体管理论极限60mV/dec。基于MFS结构，系统地研究了器件性能与P(VDF-TrFE)厚度的依赖关系，当P(VDF-TrFE)的厚度低至50nm时，器件的亚阈值摆幅为51.2mV/dec并跨越1个数量级。此外，还系统对比了利用P(VDF-TrFE)和MoS2两种材料所制备的金属-铁电-金属-绝缘层-半导体（MFMIS）和金属-铁电-绝缘层-半导体（MFIS）两种结构的器件性能，并对其中铁电层和绝缘层的厚度作了系统研究。结果表明：在该材料体系下，只有MFS结构实现了P(VDF-TrFE)调控下的二维材料负电容场效应晶体管，具有快速翻转、低功耗等特点。 4、制备了P(VDF-TrFE)调控下的石墨烯场效应晶体管，并研究了铁电极化电场对石墨烯电学性能的影响。其中石墨烯分别采用化学气相沉积（CVD）和机械剥离两种方法获得。研究发现，P(VDF-TrFE)的极化电场不仅能够调控石墨烯电学性能，同时能够有效调控石墨烯狄拉克点位置，并将石墨烯狄拉克点束缚在矫顽电压附近。通过对比同一石墨烯材料在背栅SiO2调控下的电学性能，以及相关变温实验，均可以证明该现象是稳定存在的。上述研究为调控石墨烯载流子类型、制备高性能功能半导体器件提供新的途径。