太赫兹波频率在电磁波谱中介于微波和红外频段之间,具有光子能量低、穿透性强、传输容量大等特点,在信息通讯、生物医学、量子计算、国防安全和深空探测等领域蕴藏着巨大的应用前景。太赫兹探测技术作为太赫兹领域的关键技术之一,能有效地把太赫兹光信号转化为可读的电信号。目前传统肖特基太赫兹探测器难于阵列化集成,商业普及的热释电、高莱管等热太赫兹探测器的响应时间慢、内部热噪声大,航天应用的超导探测器需要超低温制冷,大大提高了探测器使用的成本和体积等现状。而目前业界研究以石墨烯为代表的新型材料凭借层状范德华力结合、极高的载流子迁移率和高稳定性等特征,此类新型太赫兹探测器性能虽能一定程度改善上述问题,但也面临许多科学难题:新型二维材料本身光吸收率极低、太赫兹波响应速度慢、天线结构的光耦合能力弱等限制其进一步发展。本论文针对上述太赫兹探测器面临的问题和现状,我们通过探索新型纳米材料体系,将拓扑效应引入太赫兹光电探测中,利用斜散射机制实现低光子能量的整流效应,从而改善探测器的灵敏度;进一步借助拓扑半金属极高的热电优值,设计了非对称器件结构,借助纳米材料弱层间范德华力作用制备异质结太赫兹探测器进一步抑制暗电流,提升光电探测器的灵敏度。于是,我们研究了基于碲化镍、锆锗硒及其异质结等新型二维纳米材料的太赫兹探测器,为了提升探测器实际的应用,进一步展开了基于黑砷及其异质结探测器的宽波段响应实验,探测波段覆盖了可见光、近红外和太赫兹频率。整个研究方法包括新型纳米材料生长、单元太赫兹探测器结构设计与仿真、单元探测器工艺制备、单元探测器室温光电性能表征及机理分析和室温太赫兹主动式成像应用。本论文的研究内容如下:1.探索了基于拓扑材料碲化镍（NiTe2）的高性能太赫兹探测器。这类半金属材料具有奇异的光电特性包括光子吸收率高、非线性效应已经贝利曲率发散增强位移电流的拓扑增强效应等,这为低功耗和高灵敏的低光子能量的太赫兹探测提供了一个全新的研究平台。首先通过熔融法生长了碲化镍单晶材料,借助第一性原理理论计算和角分辨光电子能谱实验共同验证了该材料具有Ⅱ型狄拉克半金属的特征,设计了亚波长周期对数的太赫兹接收天线结构,通过微纳加工工艺制备了金属-碲化镍-金属结构的太赫兹探测器并进行了室温太赫兹探测性能表征和单元器件成像应用演示。实验表明探测器在太赫兹激励的带内过程中,激发的手性电子在反演对称性破缺的拓扑表面态发生非对称斜散射,产生净光电流,最终能实现高效的光电转化。在自驱动模式下,太赫兹响应率可达到0.25 A W-1,响应时间快于1.6 μs,噪声等效功率（NEP）低于89 pWHz-1/2,同时验证了单元探测器的高稳定性以及具备室温太赫兹成像应用能力。2.借助拓扑材料优异的热电特性,从器件结构和能带工程角度出发,结合光热电转化机制,设计了两款非对称结构的太赫兹探测器,制备了非对称源漏金属结构的太赫兹探测器,实现低光子能量信号转换为电信号的目的。实验测试了太赫兹响应速度、偏振依赖性以及噪声水平等内容,分析了光热电响应机理:有源区吸收太赫兹光后产生非平衡热载流子,由于不同金属接触电极,有源区形成温度梯度差,温差与塞贝克系数差的乘积进行积分形成电势梯度,最终实现对光激发非平衡载流子的电信号提取。实验结果显示在0.26 THz室温响应率可达到0.11 AW-1,在0.10 THz室温响应率达到0.56 AW-1,NEP低于150 pWHz-1/2,较大的线性动态范围（线性度达到36 dB）;此外,通过范德华堆叠方式制备了锆锗硒-石墨烯异质结器件,通过构造内建电场的方式实现高效的电荷分离机制,探测灵敏度进一步提升,NEP达到14.6 pWHz-1/2。3.黑砷作为砷的同素异形体,与黑磷具有类似的晶格结构和优异的电光学性质:直接带隙、带隙可调性,宽谱光吸收能力,高迁移率以及极佳的稳定性,这为实现可见-红外-太赫兹的宽波段探测提供了可能性。我们证明了纯黑砷半导体、黑砷半导体与石墨烯的范德华堆叠异质结结构的光电探测器,实现了宽光谱响应。我们借助可见-近红外的扫描光电流实验（mapping）分析其光电流响应机制,纯黑砷光电探测器的零偏下光电流分布位置主要在材料与金属电极接触界面,这是由于激光辐射在不均匀的沟道位置产生的光热电效应;而黑砷-石墨烯异质结器件的零偏光电流分布主要位于异质结结区,这是由于可见-近红外光激发电子带间跃迁,异质结区的内建电场有效分离电子-空穴对。另外,实验发现黑砷器件的室温稳定性远高于目前热门的黑磷晶体材料,有望取代其研究地位。