二维材料物性奇特,在催化、能源储存和转换领域、微电子领域有着巨大的科学研究、工业应用以及经济价值。本论文立足于二维材料研究的前沿问题,从新材料、新机制、新应用、新手段四个维度对二维材料展开探索,以期获得性能优异的电子器件和光电子器件。作者在新型二维半导体材料ZnIn2S4、准一维层状材料Ta2Ni3Se8、过渡金属硫族化合物ReSe2以及单元素二维材料Te进行了四个研究工作。论文分为以下六个章节:第一章介绍了二维材料的发展,对其种类、性质以及现阶段的研究进展做了简要的概述;主要介绍了本论文包含的过渡金属三元硫族化合物、二硒化铼、碲纳米片的物理性质和研究现状;简要介绍了二维材料薄膜常见的获取方法,比较了各种方法的优缺点;接着着重介绍了二维材料在电子学和光电子学的相关背景知识,总结了二维半导体材料在场效应晶体管、金属半导体接触、新兴计算技术、光电探测器等方面的研究进展、面临的技术难题以及未来的发展方向;最后,作者还介绍了基于离子液体和离子固体的二维材料电双层场效应晶体管。第二章介绍了新型二维半导体材料ZnIn2S4,包括其晶体结构、缺陷、光致发光谱、吸收谱、拉曼光谱以及光电性质。制备了基于ZnIn2S4纳米片的光电探测器和光电晶体管。ZnIn2S4光电探测器展现了极低的暗态电流（在偏置电压5 V下,暗态电流为7 pA）。同时,在外加405 nm激光照射下,光电探测器展现了一系列优秀的参数:230AW-1的响应度,1.8×1014Jones的比探测率,6.12×104%的外量子效率,超快的响应时间（222 μs/158 μs）。此外,ZnIn2S4光电晶体管在栅压的作用下,器件的响应度进一步提升到1.0×104A W-1,显示出该光电晶体管强大的栅压可调性。最后,成功地将ZnIn2S4运用在光学卷积神经网络中。超高灵敏度、超快响应和高栅极可调性的结合使二维半导体材料ZnIn2S4有望成为未来低能耗和高频光电应用的理想器件。第三章是关于新型层状准一维半导体材料Ta2Ni3Se8的物性研究,包括晶体结构、电子结构、化学组分、光电性质及机理。通过第一性原理计算,分析了其能带结构,该材料带隙为0.25 eV,是一种间接带隙的窄带半导体材料。基于单晶块材样品,制备了该材料的光电探测器,系统研究了其光电性质。结果表明:在405 nm-1550 nm宽光谱范围内,Ta2Ni3Se8光电探测器均有显著的光电响应;此外,在635 nm激光照射下,光电流和光功率密度的关系曲线揭示了其光电响应机制为光辐射热效应。由于该效应不依赖于光子能量,该探测器在将来有望应用于中红外或者远红外光电探测领域。这些结果表明Ta2Ni3Se8具备成为低维宽光谱光电应用材料的潜力。第四章介绍了（Pt/Pd）Te2-ReSe2肖特基异质结的相关工作。通过干法转移,作者将两种金属性的二维层状材料PtTe2和PdTe2应用于肖特基二极管的制备中,开发了 PtTe2和PdTe2作为高功函数金属材料的新应用。得益于原子级平整和无缺陷的范德华异质结界面,（Pt/Pd）Te2-ReSe2异质结呈现出高性能肖特基二极管的特性,表明该界面存在较大的肖特基势垒。此外,器件还表现出明显的栅压依赖效果,作者据此分析了其极低的反向漏电流原因。这些结果表明具有高功函数的二维金属材料PtTe2和PdTe2有望用于制备高性能肖特基二极管和高性能p型半导体场效应晶体管的接触电极。第五章的内容是离子液体和离子固体在二维材料ReSe2和Te纳米片中的应用。新的离子固体栅压调控的方法给出ReSe2的带隙为1.18 eV,该结果与光谱得到的带隙高度一致。以离子固体为衬底,p型半导体碲纳米片为沟道材料,作者成功制备了突触晶体管,该晶体管可以在室温下稳定工作。相比于传统氧化物介质所需的高栅压,该器件的工作电压特别小,在-3V栅压脉冲作用下,电导响应变化高达1000倍,并且能很快恢复到初始状态。这些出色的性能表明该突触晶体管有望应用于类脑器件研究。第六章为全文的总结与展望。