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摘要十余年来,石墨烯的发现引领了二维材料领域的研究热潮,二维材料的独特层状结构和能带特征赋予了它们优异的电学、光学、热学和机械特性,众多新概念、新原理和新功能的二维材料光电器件相继被提出,对微纳电子和光电领域的发展产生了革新性的影响。二维过渡金属硫属化物二硫化钼（MoS2）是目前二维材料家族中的热门研究材料之一,MoS2具有合适的半导体带隙、较大的载流子有效质量、强光与物质相互作用和光学非线性等性质,在逻辑电路、光电探测及发光器件等应用方向展现出广阔的前景。同时,通过物理和化学方法对MoS2的光电特性进行调控,不仅可以丰富现有器件的功能,而且对于构筑新型微纳光电器件并发掘MoS2全新的物理效应也具有重要的科学意义。本论文的研究目的是探索研究MoS2通过栅压电场和化学掺杂等调控方式,在载流子输运、界面特性以及能带结构等方面展现出的全新物理现象和效应。基于上述物理过程的研究,设计研制多种基于MoS2的电学和光电功能器件,揭示器件的物理机制并实现性能提升。同时,探索研究结构调控对MoS2光学特性的影响及相关应用。本论文首先介绍了MoS2的基本性质以及影响其光电特性的本征因素和调控手段,概述了基于MoS2的场效应晶体管结构在电子领域以及光电探测领域的研究现状和发展趋势。随后介绍了论文在MoS2光电特性及其调控方面的理论和实验研究工作,重点展示了MoS2电学整流和光电探测功能器件的性能和机理分析,此外介绍了新型零维MoS2结构的制备和发光特性的探索研究工作。具体研究内容及阶段性成果包括以下几个方面:1.MoS2的电学接触特性研究及新型整流器件构建。研究了引入费米能级钉扎效应后的金属/半导体接触理论模型,实验表征了MoS2与不同金属的电学接触行为和界面势垒。提出并研制了一种基于非对称电极的新型MoS2肖特基结型晶体管器件,通过栅压调控使得器件的整流比最高达2000,理想因子为1.5。进一步建立器件的能带结构模型,分析了不同栅压下器件的载流子输运特性变化规律,实现了工作频率为100 Hz的肖特基二极管整流电路。2.MoS2的全新宽光谱响应机理研究。首次观察发现并研究了MoS2在红外波段的反常负光电响应现象,实现了突破MoS2带隙限制的1550 nm红外光探测。在可见光入射条件下,通过分析不同栅压和入射光功率下光电流的变化规律,结合光生载流子的瞬态衰退过程研究,揭示了器件的高增益光响应机理,并实现了响应度高达105 A/W,探测光功率在皮瓦量级的超灵敏可见光探测。此外,研究了基于非对称电极的MoS2光晶体管的暗电流抑制行为和机理。3.CdSe量子点敏化MoS2复合结构光电探测器的设计和研制。研究了量子点配体的链长和官能团对器件的电学特性影响,探索层层自组装实现CdSe量子点换链的工艺方法。通过原位荧光强度扫描测试以及光电响应时间测试等,揭示了CdSe和MoS2在异质结界面的作用机制。利用短链量子点对MoS2的p型掺杂作用以及高效的电荷转移,复合结构探测器的可见光比探测率参数达到3×1013 Jones,且响应速度较单一的MoS2器件提升了两个数量级。4.零维MoS2纳米结构的制备及光学特性研究。理论研究了在量子限域效应下,MoS2横向尺寸变化引发的能带变化。针对MoS2量子点量子产率低的瓶颈问题,利用改进的液相剥离法结合离子插层法将量子点的量子产率提升了近5倍。进一步研究了量子点随激发波长可调谐且覆盖可见光波段的独特发光性质,并实现了零维MoS2纳米结构对多种生物细胞及细菌的成像和标记。