范德华层状材料因具有带隙分布范围广、光吸收作用强、载流子迁移率高等优异的光电特性,在光电子器件领域受到了广泛关注。经过十多年的研究发展,范德华光电子器件已经在光电探测器、偏振灵敏探测器、激光器、发光二极管和太阳能电池等方向展现出潜在的应用前景。然而,基于范德华层状材料光电子器件的一些基础研究还有待深入,如层状材料的缺陷研究、层状材料与金属的界面调控以及范德华异质结能带调控。本论文对范德华层状材料的材料生长、器件制备、工作机理和潜在应用进行了深入的探索,系统地研究了IV-VI族GeSe材料的制备方法、GeSe和GeS材料中缺陷局域态诱导的非本征光电导效应及其工作机理、背靠背肖特基电场调控的III-Ⅵ族InSe光电探测器工作机理以及pn结电场与肖特基电场联合调控的GeSe/InSe/Cr异质结光电探测器工作机理。该工作为获得高性能室温可见近红外光电探测器提供了理论基础和实验支持。文章的主要内容如下:1.范德华层状GeSe材料的制备方法。利用化学气相传输法（CVT）制备了范德华层状GeSe材料,通过多种表征技术全面表征了GeSe的晶格质量和化学成分。第一性原理计算了各项异性吸收特性并建立了线偏振分辨的可见红外微区光电流表征方法,获得了具有高二向色性比（830 nm@2.16）的线偏振灵敏光电探测器。研究了缺陷对GeSe光电探测器输运方式、电流功率关系及响应时间的影响,其变温输运特性在临界温度前后分别表现为热激发输运特性和缺陷态间的跳跃传导输运特性,另外电流与光功率非线性关系以及响应时间的拖尾现象被证明来源于浅能级束缚态对过剩载流子的捕获作用。2.缺陷局域场调控的范德华层状GeSe和GeS材料光导型探测器机理研究。利用第一性原理计算方法分析了GeSe和GeS生长过程中可能出现的缺陷种类和形成能数据,并研究了不同缺陷诱导局域场对GeSe和GeS材料电子结构及其光电性质的影响,证实了Ⅳ-Ⅵ族材料中最易形成的Ge空位会使材料形成天然的p型掺杂,并使得其探测波段得到拓展。实验验证了通过化学气相传输法生长的GeSe和GeS材料中Ge空位的存在,并且使得GeSe和GeS的光导型探测器的探测波长分别从1000 nm和780 nm拓展到1.6μm和1.55μm。3.背靠背肖特基电场调控的III-Ⅵ族范德华层状InSe光电探测器的机理研究。本文通过实验和模拟软件TCAD共同研究了对称InSe二极管整流的异常特性,利用有限元分析方法发现,对称结构Cr-InSe-Cr整流的异常特性是InSe与金属界面不均匀的接触面积以及界面电荷对势垒的影响造成的。模拟发现势垒不对称的肖特基器件在光辐照条件下会出现明显的光伏效应,且随着势垒差增大,开路电压和短路电流越大。除此之外,还研究了点照射双边肖特基InSe二极管的整流特性,并展示了基于该特性的光电联合调控的逻辑器件应用。4.pn结电场和肖特基电场联合调控的范德华层状GeSe/InSe/Cr异质结光电探测器的机理研究。利用开尔文探针力显微技术（KPFM）研究了GeSe/InSe异质界面的能带匹配,获得了GeSe/InSe异质结和InSe/Cr肖特基结协同作用下器件的电势分布,解释了GeSe/InSe/Cr异质结拥有极低的正向电流的异常反向整流特性的原因。还研究了范德华层状GeSe/InSe/Cr异质结光电探测器的光电特性,该器件拥有非常高的光开关比和响应率以及较快响应速度,展示了优异的光电探测性能。