场效应晶体管是现代社会使用的大多数高科技技术中必不可少的固态微电子器件,它促进创造了多种新的服务形式和大量工作机会。社会的不断进步也与场效应晶体管根据摩尔定律的持续小型化密切相关。不断的小型化使得场效应晶体管可以在相同大小的同一区域内集成更多元器件,并促进了更复杂计算系统的发展。如今,场效应晶体管的尺寸已经非常小了(约为5nm),以至于已经接近原子间距离,这也是阻碍其进一步缩小尺寸的重要物理障碍。由于这些原因,探索新型器件构建策略以继续保持电子器件性能增强趋势是十分有必要的,这些策略包括在现有器件结构中引入新型材料和使用新型结构器件代替原有器件。二维材料,作为一种纳米材料家族中的新成员,在过去的15年中引起了许多材料科学家的关注,并且它们有望改善许多电子器件产品的性能表现。然而,在对二维材料和基于它们的电子器件进行了多年的深入研究后,仍然存在大量重要的限制因素,制约着它们在固态微电子和纳米电子器件中的大规模集成。因此,开展对二维材料合成方法、材料性质、器件图案化构造、器件表征和器件仿真等方面进行更为深入的比较和分析研究,对于理解大规模集成二维材料过程中存在的主要挑战并提供有效的解决方案是至关重要的。在本博士论文研究中,将在这个方向上开展几种器件可扩展制备的实验,分别在不同的章节中进行介绍、展示和讨论。第1章中,将介绍二维材料家族,以及制备合成它们的主要方法,包括机械剥离、液相剥离、化学气相沉积和物理气相沉积等。还将总结各种基于二维材料的场效应晶体管器件结构,以及这些器件相应的构造方法。并且将介绍基于二维材料的忆阻器器件结构和制备,这种器件是一种可能在未来的信息存储和处理系统中替代场效应晶体管的新型器件。最后,还仔细分析和讨论了这些器件制造方法的可扩展性以及与电子工业提出的制备要求之间的兼容性。第2章中,介绍了一种全新的使用低压热壁化学气相沉积炉在薄金属层覆盖的晶圆片上直接、可扩展地生长六方氮化硼的方法。在制备二维材料的现有常用方法中,化学气相沉积是最令人注目的一种,因为它可以实现二维材料的可扩展合成,并且材料具有相当高质量。通过在催化金属薄层基底的正上方放置保护覆盖层的方法,成功避免了金属薄层在高温下的过度扩散和反浸润的现象,并且成功地在覆盖了薄金属层的晶圆片上生长出了二维材料。第3章中,介绍了基于多层六方氮化硼忆阻器器件的无转移制造方法,而且对器件的电学性能进行了表征和仿真。器件的制造过程中,完全避免了使用聚合物支架将二维材料转移到底部电极的过程,从而有效避免了此过程在材料表面产生大量的污染和裂缝等问题。与其他可用方法相比,这是一个很大的优势。还使用了聚焦离子束切片和截面透射电子显微镜仔细分析了六方氮化硼叠层的材料结构,并将器件的性能表现与其观察到的材料物理微观结构联系在一起。此外,这种忆阻器还表现出渐进式的阻变行为,还有很低的阻变循环与循环之间的差异性。第4章中,介绍了利用单层二硫化钼作为沟道,可扩展制造场效应晶体管的方法。本文介绍的制造过程完全基于可扩展的器件制备技术,包括化学气相沉积(来可扩展地合成二维材料)、光刻、电子束蒸发蒸镀金属和等离子体蚀刻(用来进行电极和沟道的可扩展图案化)。可以可扩展地、规模化地同时制造数百个场效应晶体管器件,并且使用扫描电子显微镜和拉曼成像等手段确认了器件的成功制备。第5章中,可扩展制造的二硫化钼光电晶体管显示出惊人的低功耗(在光照下功耗仅为3.25×10-9W)和极强的光电探测能力(最大明/暗电流比达170)。这些都与器件中使用的多晶单层二硫化钼中较小晶粒尺寸有关(平均直径为164±54 nm)。此外,还通过引入热退火的步骤成功地将特性曲线中的滞回现象最小化。最后,我们还建议在化学气相沉积生长过程中可以通过选择不同的参数,以更好地控制电子器件的性能。该博士论文为将二维材料大规模地集成到固态微电子和纳米电子器件中去(特别是场效应晶体管和忆阻器中)提出了一些方法途径,因而可能为学术界和工业界科学家的提供借鉴。