二维材料是仅有一个或几个原子层厚的薄膜材料，石墨烯材料的成功制备极大地推动了二维材料这一领域的研究，近年来已经形成涵盖了金属（如石墨烯）、半导体（如二硫化钼）和绝缘体（如六方氮化硼）的二维材料家族。二维材料因其丰富的电学、光学、力学和化学性质，在电子、传感、催化及能量储存与转换领域都有着广泛的应用前景。　　由于具有极大的比表面积和有限的介电屏蔽能力，载流子在二维材料中的输运行为很容易被周围的物理、化学环境所改变。因此，无论从基础物理层面还是器件应用角度看，研究周边环境对二维材料电子性质的影响以及利用宏观可控条件对二维材料电学器件性质的调控都具有重要意义。本论文主要探讨了表/界面状态对二维材料场效应晶体管电子输运性质的影响，进一步利用可控栅极结构和界面杂化结构分别实现了对二维材料横向和纵向电荷输运行为的调控，并制备了基于二维材料的功能化电学器件。主要结论如下:　　(1)背栅MoS2器件往往表现出载流子迁移率小且亚阈值摆幅过大等特征，表明MoS2器件中存在除声子外的其他散射机制以及界面陷阱。我们结合变温输运和低频噪音测量技术研究了背栅MoS2晶体管沟道电子散射机制以及界面处电荷的动态交换行为。变温实验显示出MoS2在室温附近会发生金属-绝缘体转变，此外低温下的输运行为符合变程跃迁的导电规律，这些现象表明室温下MoS2中的主要散射机制为短程声子散射，低温下为界面电荷缺陷的长程库伦散射，同时MoS2带隙中存在因电荷杂质或缺陷引起的局域态。低频噪音测量发现界面电荷缺陷或杂质对MoS2器件电流的影响具有层数和温度相关性，这是因为单层MoS2的介电屏蔽能力较弱，同时电子在MoS2与界面缺陷之间的交换是热激发过程，因此单层MoS2中或者低温下由库伦散射引起的低频噪音成分将显现出来。通过对比不同衬底以及沉积钝化层前后MoS2器件的输运结果和低频噪音行为，我们发现SiO2界面的电荷缺陷或杂质会显著改变器件的性能和噪音水平。本研究结果为进一步有针对性地提高MoS2晶体管的性能提供了理论依据。　　(2)设计和提出了一种新概念石墨烯晶体管，从理论和实验方面研究了这种电势在空间连续变化的顶栅结构的石墨烯晶体管中载流子的输运特性。该器件具有电学可重置的多工作模式，即晶体管可以通过控制施加于顶栅的电压的极性和大小在双极性、单极性p型和单极性n型三种工作模式之间切换，并且单极性石墨烯晶体管的阈值电压的大小也可以通过顶栅电压控制。利用此概念器件，我们在同一块石墨烯中集成了一对p型和n型的单极性石墨烯晶体管，从而制备了可编程控制的逻辑反转门。基于扩散输运模型计算得到的器件性能与实验结果的一致，表明梯度栅结构的石墨烯中载流子是以漂移扩散的方式通过结区，这与普通pn结器件中电子弹道输运通过结区存在原理不同。本研究拓展了石墨烯等狄拉克材料在智能电子器件领域的应用。　　(3)利用导电原子力显微镜在驻极体表面注入的图案化静电荷作为栅极调控石墨烯中载流子，从实验和理论上研究了静电荷图案对石墨烯输运性质的影响，成功制备了基于静电栅的石墨烯pn结和单极性石墨烯晶体管。这种静电栅的的构建可以具有亚微米精度并且可以实现复杂的嵌套和周期结构。我们利用有限差分时域法计算了石墨烯中的载流子在周期性条状静电栅和同心圆静电栅存在情况下的动力学过程，周期性电势垒的存在使得石墨烯中载流子的群速度具有各向异性，电子在垂直于势垒周期方向的费米速度减小，因此，周期性条状静电栅和同心圆静电栅可以起到准直和聚焦电子的作用。　　(4)借助机械转移法获得了基于石墨烯/氮化硼/硫化钼的二维金属-绝缘体-半导体(MIS)结，同时制备了基于该范德华异质结的两种原型器件，MIS隧道晶体管和MIS浮栅电荷存储器。直流输运测量显示基于二维材料的隧道晶体管具有明显的场效应，光响应以及温度依赖特性。栅压和偏压可以调节隧穿势垒的高度和形状进而控制通过MIS结的电流;氮化硼隧穿层两侧材料电子态的不对称性使得MIS隧道器件具有很好的整流特性;介质层的存在阻碍了光生电子空穴对的及时分离从而导致室温下MIS隧道晶体管光响应度不高。电荷在层间的可控转移有助于实现电荷存储功能，基于MIS结的浮栅电荷存储器具有104存储开关比，在低温下可以同时实现电擦写和光写入，同时我们也制备了室温下可以稳定工作的MIS电荷存储器。