随着电子设备不断提出微型化、集成化、低功耗的要求,器件的量子力学效应不断增加,单纯靠减小硅基半导体器件尺寸已无法满足集成电路的发展趋势,石墨烯等碳纳米结构成为发展新一代高可靠性、高性能微纳器件的材料研究热点。本文中利用微纳加工技术制备了石墨烯三端弹道结(three-terminal ballistic junction:TBJ)器件。由电子束曝光(electron-beam lithography:EBL)绘制,并用电感耦合等离子体(inductively coupled plasma:ICP)刻蚀得到一系列不同尺寸的T型三端弹道结。再通过EBL绘制源漏电极,并用电子束蒸发(electron beam evaporation:EBE)沉积5/90-nm Ti/Au层形成欧姆接触,研究其非线性弹道输运性质。进一步地,将TBJ与量子点接触(quantum point contact:QPC)耦合实现逻辑功能。此外,通过溶液沉积方法制作了石墨烯-PbS胶体量子点(colloidal quantum dot:CQD)复合器件,研究其光电响应与电输运。博士论文的主要研究内容总结如下:(1)研究了石墨烯TBJ器件的非线性电荷输运特性。石墨烯TBJs具有室温整流特性,即在电子输运区,TBJs左右两端施加推挽式偏压:VL=V,FR=-V时,中间端输出电压VC总是负值(空穴输运区,则FC为恒正),与F的二次方呈依赖关系。整流系数aα,即抛物线型输出电压曲线的曲率,由栅极电压有效调控,表现出与输运载流子极性的依赖性,与零偏压下石墨烯的电化学势μF成反比。与热电测量相比,石墨烯TBJs的非线性输运测量为研究石墨烯纳米器件的电子结构和电荷态提供了一种简单的纯电学方法。当左右两端施加无直流偏置的异相交流电压时,对称的TBJs可作为整流器和二次谐波发生器。(2)石墨烯三端弹道结的整流电压FC与费米能级处电导的导数有关。VC关于栅压Vg依赖关系中的峰-谷结构与归一化跨导(1/G)dG/d Vg随Vg变化的曲线具有相同的形状,正负极值和极性反转点都一致。对于载流子不均匀分布的TBJs,非线性栅控电压曲线Fc-Vg显示出清晰的双峰结构。对于不均一性和散射机制的探测,非线性电压信号要比电阻的测量敏感得多。结果表明,石墨烯TBJs可作为纳米电子学的新型构建单元,也可作为研究纳米级石墨烯材料性能的新型器件。(3)制备了石墨烯三端弹道结与量子点接触的复合功能器件。TBJ的中间支作为侧栅调控QPC。在电子输运区,只有当所加直流电压都为正时,中间端输出电压取得正值,(将正电压看作是数字电路中的二进制1),TBJ实现与门逻辑。与QPC(反相器)耦合实现与非门。在空穴输运区,TBJ实现或门逻辑,与QPC(放大器)耦合实现或门。低温下观测到因量子振荡引起的逻辑反转。在栅极调控下,TBJ/QPC级联器件能实现任意逻辑,为全碳逻辑电路的构建奠定了重要的实验基础。(4)制作了石墨烯-PbS胶体量子点复合光电探测器,测量了其光电响应特性。在激光脉冲照射下,经PbS量子点修饰的石墨烯FETs的电阻呈现开关式变化。将石墨烯沟道电阻的光诱导变化ΔRph定义为光响应信号,其幅值和符号可通过背栅电压来调控,与石墨烯转移特性曲线的导数有关。建立一个极性依赖载流子的转移模型来解释实验结果,量子点中一种电荷极性的光致载流子转移到石墨烯上,导致量子点中电荷极性相反的载流子聚集,从而改变石墨烯中载流子的密度,称之为:光诱导栅控效应。利用激光束有效地调制石墨烯层的电学性质,为研究石墨烯的输运性质提供了一种额外的光学调控手段。(5)低温下,由于CQDs引入了散射势,复合器件的磁电导在低磁场和高磁场量子霍尔区都呈现较强的Aharonov-Bohm(AB)型振荡,依据量子振荡可估算出散射势的横向尺寸。FCQD与石墨烯中载流子耦合增强了谷间散射和弱局域化效应。电导随温度的降低而减小,在30 K以下,与温度呈对数依赖关系。利用石墨烯中载流子对静电环境敏感的特性,石墨烯-PbS CQDs复合器件为研究二维材料量子相干器件提供了新的更为灵活的体系。