作为红外探测系统最核心的部件,红外光电探测器的性能会对红外探测技术智能化、小型化、低成本、高性能的发展起到决定性的作用。自红外光电探测器概念提出以来,以碲镉汞、铟镓砷为代表的传统红外光电探测器在军事、安防、航天、国民经济等领域都发挥着重要的作用,随着人们对红外光电探测器需求的不断增长,大幅提高探测器的性能,降低探测器的尺寸、重量、功耗和价格迫在眉睫。传统的红外光电探测器在材料生长、制造工艺、性能、成本等方面存在一定的局限性,虽然硅基光电探测器是所有光电探测器中发展时间最长、工艺最成熟的器件,且硅基器件也是目前唯一能够与CMOS工艺线相兼容的体系,但是硅带隙的限制也制约了硅基器件在红外探测领域的应用。因此寻找新材料或者研究新结构来对传统器件进行改进,突破传统器件能效极限是目前人们关注的焦点,通过将新材料与传统材料和结构相结合,可以达到二者的优势互补,解决目前红外光电探测器件中存在的根本性问题。本论文以石墨烯为基础,通过对石墨烯片层的宏观组装,制备宏观组装石墨烯纳米膜,提高单层石墨烯的光吸收率,利用石墨烯零带隙的特点,实现石墨烯膜的宽光谱吸收,并将石墨烯膜与硅和锗接触形成范德华异质结,通过调控石墨烯膜的内部缺陷和结构,提高了石墨烯膜中载流子寿命和热载流子浓度,使载流子有足够能量越过势垒到硅和锗中,形成光电流,实现室温下硅和锗在中红外波段的探测。通过石墨烯膜和硅、锗的结合,利用石墨烯膜的优势弥补了硅、锗无法进行宽光谱探测的劣势,具体研究内容和成果如下:（1）利用宏观组装的方法制备了纳米厚度的石墨烯薄膜,并跟踪了石墨烯片层在高温处理过程中组成、缺陷、堆叠结构的转变过程,解释了还原温度、还原时间等工艺因素对石墨烯膜结构、缺陷调控的影响。实验结果表明2800℃处理之后的石墨烯膜几乎没有内部缺陷,石墨烯膜层间堆叠方式为AB堆叠,45 nm厚的石墨烯膜的光吸收率在40%左右,功函数约为4.5 eV,载流子迁移率达到1350 cm2/V·s。此外石墨烯膜的厚度可控,可大面积制备,具有独立自支撑性能。（2）将石墨烯膜转移到硅衬底上,形成石墨烯膜/硅的肖特基结光电探测器,利用石墨烯膜光吸收率高、石墨烯膜中电子与电子相互作用强、二者形成的肖特基结势垒低（0.3 eV）的优势,实现了室温下硅基探测器的宽光谱探测（1.34-10μm）,突破了硅基器件只能探测到近红外波段的限制,并对器件在中红外波段的响应机制进行了分析。（3）利用瞬态吸收光谱测试手段对石墨烯膜中电子的激发、跃迁和弛豫信息进行表征,发现石墨烯膜中电子弛豫时间长达23 ps,表示石墨烯膜中电子和电子的相互作用很强,电子很容易发生俄歇复合效应产生热电子,热电子对器件的光响应产生重要贡献,进一步佐证了器件红外响应机制。（4）为了提高石墨烯膜/硅器件的响应度,拓宽器件的响应波段,使用锗衬底替换硅衬底,形成了势垒高度更低的石墨烯膜/锗肖特基结光电探测器,对锗衬底表面进行了钝化处理,降低了器件的暗电流和噪声,最终进一步拓宽了器件的响应波段。（5）最后挖掘了石墨烯膜在图像传感领域的应用,将石墨烯膜/硅器件用单像素扫描成像的方法,对目标物体进行了清晰的红外波段成像,并进一步使用石墨烯膜/锗的线阵器件,提高了扫描成像的成像效率,证明了石墨烯膜的实际应用潜力。