存储器件是现代电子工业不可或缺的重要组成部分。为提升存储器的数据存储能力,产业界一直致力于缩小器件的尺寸,使单位面积内能够集成更多的存储单元。然而,在摩尔定律即将失效的大背景下,器件的尺寸已经接近其理论极限,进一步缩小器件尺寸将使加工工艺变得非常复杂,并且随着沟道尺寸的减小,极易发生电荷泄露等行为,降低了信息存储寿命。近年来,科学家们提出一种新的发展思路,通过使单一器件能够存储大于1比特的信息,来成倍地提升存储器的存储性能。在浮栅型非易失性存储器中,存储状态(沟道电流)与浮栅或电荷捕获层中所积累的电荷有关,因此,可以通过对浮栅或电荷捕获层中的电荷进行调节来实现多比特存储。石墨炔是一种新型的二维纳米碳材料,它由sp和sp~2杂化的碳原子以高度共轭的大π键组成。石墨炔具有丰富的电荷捕获位点,并具有很好的吸光性能,使石墨炔可以作为光敏型电荷捕获材料应用于光电存储器件中。然而,目前采用传统方法制备的石墨炔晶体尺寸很小,结晶质量较差,无法满足器件研究的需要。最近,北京大学张锦院士团队发展了一种“溶液相范德华外延生长方法”,可以在石墨烯等二维材料表面外延生长高结晶性石墨炔薄膜,为研究基于石墨炔及其异质结的光电器件创造了条件。在本论文中,我们首先通过化学气相沉积法在铜箔表面制备出高结晶性的石墨烯和氮化硼薄膜,并将其堆叠制成氮化硼/石墨烯垂直异质结。随后我们利用“范德华外延生长方法”在氮化硼/石墨烯异质结表面制备出大面积高结晶性的芘基石墨炔薄膜,获得芘基石墨炔/氮化硼/石墨烯垂直异质结。进一步地,我们基于这种芘基石墨炔/氮化硼/石墨烯异质结构筑了一种顶浮栅结构的多比特非易失性光电存储器,芘基石墨炔作为具有光敏特性的电荷捕获层,而石墨烯和氮化硼分别作为导电沟道和介电层。由于芘基石墨炔具有良好的电荷捕获性能,作为介电层的氮化硼薄膜仅有3 nm厚,显著提升了器件的存储性能,例如器件具有大的存储窗口(±90 V区间内的存储窗口高达137 V)、较小的编程/擦除电压(±30V)以及很低的光脉冲能量(3 n J)等。同时,该非易失性存储器具有良好的可靠性和稳定性,存储态和擦除态电流在10~5 s存储时间和100次循环测试中基本保持不变。另外,存储态和擦除态之间巨大的电流差(>130μA)以及超长的存储时间(10~5 s)为实现器件的多比特存储创造了条件。我们通过施加栅压脉冲和光脉冲,在编程和擦除阶段分别获得8个和9个区分明显的存储态,成功实现了3比特存储。通过本论文的研究,开创了石墨炔在多比特非易失性光电存储器领域应用的先河,为未来发展基于石墨炔的各种光电器件迈出了重要一步。