近几十年来,先进的制造工艺和超大规模集成电路系统的研发推动着半导体行业的迅猛发展。正如摩尔定律所预言,芯片上集成元件的数量和性能得以稳步提高,成本也逐渐降低。然而,随着硅基元器件的特征尺寸逐渐降低到10 nm以下,短沟道效应等一系列问题的出现给摩尔定律的延续带来了极大的挑战,如栅极调控能力降低、漏电损耗严重等现象。针对该问题,研究者们一方面通过优化元器件结构来规避寄生电容、短沟道效应等问题,如研发鳍式场效应晶体管（FinFET）、绝缘体上硅（SOI）等结构;另一方面就是尝试寻求新型半导体材料以取代当前商业化的硅基半导体材料。其中,二维材料（2D Material）以其层数可控的能带结构和载流子传输特性在电子逻辑电路、灵敏光电探测器、发光二极管（LED）和能源存储设备等应用中发挥出独特的优势,逐渐成为新一代多功能半导体光电材料的主角。基于此,本论文的研究工作主要以典型的2D硒化铟（InSe）和二硫化钼（MoS₂）为例来探究2D半导体器件的多功能应用,具体包括以下几个部分:（1）采用表面电荷转移掺杂法制备高迁移率和高稳定性的InSe场效应晶体管（w/In InSe FET）,并实现该器件在简单逻辑门电路方面的应用。稳定可调的电学特性为2D半导体材料在逻辑器件中的应用奠定了基础。研究表明,在InSe沟道表面沉积In金属层不仅可以实现InSe场效应晶体管（InSe FET）的表面n型电荷转移掺杂;同时还可以提升器件的稳定性。根据实验结果可知,在室温下w/In InSe FET的电子迁移率高达3700 cm² V^-1 s^-1,并且可于大气环境中保存长达2个月。通过结合能带结构和微形貌分析可知,32 nm_In掺杂层为InSe FET带来了最佳的电学特性和稳定性。另外,In具有较低的金属功函数,在InSe沟道与Au电极间插入In金属层不仅可以有效地改善InSe/Au界面的电子传输特性,而且还能大幅度降低电极与InSe沟道之间的接触电阻。基于优化结果,w/In InSe FET（32 nm_In）成功实现了在低功耗简单逻辑电路中（反相器、与非门和或非门等）的灵活操作,由此彰显出2D层状材料在新型逻辑电子器件领域惊人的应用前景。（2）耦合w/In InSe FET与摩擦纳米发电机（TENG）实现低功耗InSe摩擦电晶体管（w/In InSe T-FET）,并探究其作为高灵敏度触摸开关的应用。功能各异的人工智能和人机交互系统的发展推动着科技的进步。然而,便携式电子设备的普及给严重的能源短缺问题带来了巨大压力。为了满足市场需求,研发一种能够将生活中存在的机械能转化为电能并为电子设备供电的装置成为当前的首要目标。鉴于此,本实验采用w/In InSe FET和TENG垂直耦合的方式成功制备了InSe摩擦电晶体管（w/In InSe T-FET）。通过调节TENG中两个摩擦层的间隔来调控其内部感应电荷的数量,由此产生的负电势可以作为栅极电压以调控InSe沟道中载流子的传输行为。基于表面电荷转移掺杂的优化,在低源漏电压（0.1 V）和外界摩擦力操作下,该器件的电流开关比高达10⁶,大气中经500个开关循环操作后仍呈现出良好的重复性。当无外界栅压时,采用w/In InSe T-FET不仅可以实现摩斯密码‘INSE’的编译,还可以作为触摸开关来调控LED的开关状态,由此表明该器件在低功耗灵敏触摸传感器及人机交互系统中具有较大的应用潜力。（3）采用两步水热法成功制备Bi₂S₃@MoS₂异质结,结合实验和理论分析,系统探究其增强的光生载流子转移机制在光电器件方面的应用。独特的异质结构以其超强的光捕获能力和内部高效的载流子分离速度,在光电探测器件和光催化应用方面受到了广泛关注。基于此,我们通过简易的水热方法制备了3D蒲公英状的Bi₂S₃@MoS₂微米球异质结,其中MoS₂纳米薄片呈翅膀状均匀地包裹在Bi₂S₃纳米棒周围。结合理论分析发现,MoS₂与Bi₂S₃的能带呈典型的Type-II交错结构,允许光生载流子从Bi₂S₃的导带向MoS₂注入,有利于加快光生载流子的分离、抑制光生载流子的复合,从而延长光生子的寿命。通过制备基于该异质结的光电探测器可知,在可见光照射下,Bi₂S₃@MoS₂光电探测器的光电导和光响应能力明显增强。另外,该异质结构与纯的MoS₂或Bi₂S₃相比,具有更多的反应活性点和增强的可见光利用率,从而赋予其可观的可见光降解罗丹明B等染料的降解效率（约92%）和降解速率。（4）采用一步水热法成功制备出具有层状结构的C@MoS₂-SnO₂@Gr纳米复合物,并系统地研究其在储能器件方面的应用。随着能源短缺问题的日益严重,锂离子电池以其可循环利用、高能量密度和优异的充放电倍率特性成为日常重要的能量存储系统。基于较高的理论比容量,2D层状半导体材料成为锂离子电池的高性能候选电极材料之一。鉴于此,通过原位一步水热法成功合成了C@MoS₂-SnO₂@Gr纳米复合物,MoS₂纳米片与SnO₂纳米颗粒之间的异质协同作用有助于增强电极材料的电荷转移机制;另外,2 nm的超薄碳层与石墨烯导电框架相结合为离子/电子的传输提供了有效导电通道。基于微结构和理论分析可知,MoS₂与SnO₂之间形成良好的电接触,有利于Li⁺的嵌入脱嵌,从而提升储锂反应的可逆性。研究表明,该电极材料的储锂机制受表面赝电容机制所主导,经2000次循环充放电后仍能保留680 mAh g^-1的高比容量(2.5 A g^-1条件下)。因此,C@MoS₂-SnO₂@Gr电极材料所表现出优异的倍率特性和循环稳定性为2D异质结电极材料在能源存储器件方面的应用树立了榜样。