在信息时代,以光伏模式运行,响应速度快,功耗低的光电探测器成为了光通讯,环境监测和工业安全等各个领域的最佳选择。类Mo S₂的纳米材料因其独特的材料特性成为近十年来的新兴研究方向。当一个维度方向尺寸在100 nm以下,载流子仅可在两个维度的空间上自由运动时,就会产生许多区别于体材料的优异的特性,成为非常具有研究挑战性的二维材料。目前二维材料的研究主流是二维层状材料,其较小的暗电流和较快的传输通道突破了传统的三维材料光响应度较低的瓶颈,在微纳加工领域具有良好的应用前景。相比之下,近年来新兴的非层状二维材料,因其表面存在悬挂键,与当前成熟的半导体微纳加工工艺具有极高的兼容性,且存在许多区别于层状材料的独特的电子和光电特性,对这类材料的研究及应用是目前受到密切关注的重要课题。作为新兴的IIIA-VIA半导体,In₂S₃在光电子领域具有巨大的应用潜力。本论文主要研究了二维非层状材料In₂S₃的物理气相外延生长,并基于此材料优异的光学性能制备出一系列高性能的光电探测器,具体工作如下:1.利用物理气相外延法（PVE）制备出大尺寸高结晶性的In₂S₃纳米薄膜。生长的In₂S₃纳米薄膜最大横向尺寸可达161μm,厚度约20 nm。通过光学显微镜、Raman、PL、XRD、TEM、XPS、原子力显微镜等手段证明了生长的In₂S₃的高度的结晶性。2.将n型In₂S₃与p型石墨烯堆叠组成范德华异质结构,并验证了该异质结构优异的可见光响应特性。这两种材料的堆叠可以产生具有范德华相互作用的原子尖锐的界面,从而引起（光电）电子领域的高性能。扫描开尔文探针力显微镜显示异质结构的界面处存在明显的电势差,从而使其具有良好的二极管特性。基于石墨烯/In₂S₃异质结构的背栅场效应晶体管表现出具有n型半导体特性的优异的栅极可调电流整流特性。基于石墨烯/In₂S₃异质结构的光电探测器显示出对可见光的优异响应。特别是,在405 nm光的照射下记录到795 A/W的超高响应度和2440%的外部量子效率,并且在60 V的正栅极电压下可以进一步提高到8570A/W和26200%。出色的光学响应性能归因于光电导和光栅控效应的协同作用。这些结果表明,石墨烯/In₂S₃异质结构在未来的电子和光电器件中具有潜在的应用前景。3.将n型In₂S₃与传统三维p型Si组合制备In₂S₃/Si异质结的光电探测器,并在该结构上获得了提升的光响应性能。由于In₂S₃的强光物质相互作用以及In₂S₃/Si界面上的内建电场加快了光激发的电子-空穴对的分离,该器件显示了从可见光到近红外光的宽谱光敏性能。响应度,光探测度和上升/下降时间分别为579.6 A/W,2×10¹¹ Jones和9/0.131 ms。与报告的层状2D材料/Si异质结光电探测器相比,这些性能指标是优异的。值得注意的是,即使经过1050个工作周期或暴露于空气中6个月之后,In₂S₃/Si光电探测器的性能没有明显下降。这些发现拓宽了2D材料的应用范围,并突出表明In₂S₃纳米薄片在光电应用中的巨大潜力。4.展示了一种将2D In₂S₃与石墨烯/硅光探测器耦合的新颖策略。我们进一步引入了In₂S₃/graphene/Si的双异质结的设计,不仅增强了石墨烯/硅的光吸收,而且结合了光栅控效应和光伏效应的优点,抑制了暗电流,加速了光生载流子的分离,并带来了光导增益。结果,In₂S₃/graphene/Si器件同时具有4.53×10⁴ A/W的超高光响应性和小于40μs的快速响应速度。这些参数比原始的石墨烯/硅光探测器高一个数量级,并且是与报道的2D材料/Si异质结光电探测器相比的最佳值。此外,In₂S₃/graphene/Si光电探测器表现出出色的长期稳定性,即使在空气中放置一个月或运行1000个循环后,其性能没有明显下降。这些发现表现了这种简单新颖的策略的有效性,可以用于构建高灵敏度和超快的石墨烯/硅光探测器。