石墨烯具有优异的机械强度,高导热性,强光物质相互作用及优异电子特性,被视为最有应用前景的二维纳米材料之一。其中,基于石墨烯的高性能场效应晶体管最具吸引力。目前,可应用的石墨烯场效应晶体管尚未商业生产,这是由于石墨烯缺乏晶体管材料所需的带隙。因此,调控石墨烯能带结构是目前关于石墨烯研究的热点。石墨烯能带工程主要分为化学法和物理法。化学法主要包括增加官能团,缺陷,掺杂,化学粘合衬底,量子限域和边缘效应等方法。物理法主要包括施加外场,衬底相互作用,物理吸附,应变,多体效应,自旋轨道耦合等方法。物理吸附作为调控石墨烯能带结构的一种有效方法,其保留了六方晶格中的sp2杂化的C-C键,引起了研究者的广泛关注。通过物理吸附调控石墨烯能带可以归因于电荷的重新排布、电势的调控和莫尔条纹的形成。事实上,对于一些空气中常见的气体分子,例如O2和N2,由于能级轨道的不匹配,其很难自发的吸附在石墨烯的表面,完成对石墨烯能带的调控。因此,借助于新的技术手段,实现常见气体分子在石墨烯表面吸附,开发新功能的石墨烯晶体管显得至关重要。基于以上研究背景,本论文主要通过摩擦纳米发电机针尖气体放电定量控制气体离子在石墨烯表面的吸脱附来设计、构筑新型石墨烯场效应晶体管,开发了一种有极大开关比的石墨烯效应晶体管。基于摩擦纳米发电机气体离子调控技术,通过改变吸附气体离子种类,开发了一种新型人工突触。其主要研究内容如下:第一:利用基于摩擦纳米发电机驱动的空气放电开发的气体离子栅调技术,设计构筑了一种基于石墨烯的气体离子栅场效应晶体管。通过在O2中负电晕放电以产生O2-离子,并使之吸附在石墨烯表面形成气体离子栅。通过调整放电次数与距离可以实现对O2-吸附量的控制,当O2-吸附量较少时,石墨烯电导率增加;当O2-吸附量较多时,石墨烯电导率极大下降,石墨烯带隙被打开。O2-吸附在石墨烯表面对其施加负栅压,使石墨烯电学性质向P型半导体转移,并可以通过升温实现脱附,从而实现可逆调控。总之,本实验开发了一种开关比极大的石墨烯场效应晶体管。第二:利用N2气氛中正电晕放电产生的N2+在石墨烯表面的吸附调控石墨烯能带结构,并利用N2+在石墨烯表面易脱附的特性,设计制备了一种新型人工突触。首先,基于石墨烯特殊的能带结构,利用摩擦纳米发电机作为机械信号到电信号的转变装置,可以定量控制N2+离子在石墨烯表面的吸附,进而调控石墨烯载流子浓度及类型,实现了从机械信号到使通过石墨烯的电信号转变为类似突触后电位的信号的转变。之后,通过微调放电参数,实现了兴奋性突触、抑制性突触、长期可塑性和短期可塑性等突触行为模拟。最后,深入探讨了 N2+的吸脱附过程,并计算出N2+在石墨烯表面的脱附能为182 meV,由此揭示了其发生突触行为的物理机制。