近十年来,由于其独特而新颖的物理及化学特性,如超高的载流子迁移率、良好的力学性能及化学稳定性等,以石墨烯、MoS₂为代表的二维材料的研究逐渐引起广泛关注。过渡金属硫族化合物被认为在电学及光电器件领域具有重要的应用前景,这是因为其具有本征带隙、强的光与物质交互作用以及自旋、谷特性等。此外,由过渡金属硫族化合物组成的范德华异质结构的研究也逐渐兴起。相比于传统的半导体异质结构,范德华异质结构界面处不需要考虑晶格匹配,而且制备方法非常简单,是研究异质结构光学及电学特性的理想体系。本文从二维纳米材料与金属的电接触行为出发,通过物理及化学的方法调制MoS₂载流子浓度,以便达到降低接触势垒的目的,进一步提高器件性能;另一方面,通过构筑垂直及平面异质结构,研究异质结构的光电及光伏特性,并调制异质结构的光致发光及激子态行为等,揭示TMD/石墨烯范德华异质结构中影响激子态行为的因素,为开发新型的异质结构光电器件、理解异质结构中新的物理内涵奠定基础。本文首先利用开尔文探针显微镜研究了MoS₂纳米片的层间电荷屏蔽效应,发现MoS₂的表面电势随着层数的增大而增大,层间电荷屏蔽临界尺寸约为5nm。MoS₂纳米片层间电荷屏蔽效应是由于MoS₂中电荷对MoS₂/Si O2接触界面处内建电场的屏蔽作用不同所引起的。此外,利用导电原子力显微镜研究了不同厚度MoS₂与金属Pt之间的电接触行为,发现随着厚度的增大,MoS₂与Pt之间的隧穿势垒逐渐增大。利用栅极电场调制了双层MoS₂纳米片的载流子浓度。当栅极电压高于MoS₂场效应晶体管阀值电压时,MoS₂的表面电势逐渐增大,相应的功函数则逐渐降低,当电压为13V时,双层MoS₂的功函数下降约115me V,与MoS₂晶体管场效应计算结果一致。利用开尔文探针显微镜表征了双层MoS₂与Pt电极之间的接触势垒,发现两端的电接触势垒不对称,与两探针测试结果吻合,电接触处电荷转移机制为热电子场发射模型。利用具有不同偶极矩的自组装单分子层电荷注入调制了MoS₂纳米片的载流子浓度,并通过拉曼光谱、场效应晶体管测试及开尔文探针显微镜证实了MoS₂载流子浓度的变化,即具有-NH2基团的APTMS单分子层具有n型掺杂,使得MoS₂载流子浓度增大;而具有-CF3基团的FOTS从MoS₂中得到电子,使得MoS₂载流子浓度降低。KFM结果表明,单层MoS₂费米能级变化范围约为0.47e V。构筑了Si/MoS₂垂直异质结构并研究了异质结构在光电及光伏器件性能。n-Si/MoS₂异质结构具有光二极管特性,最大光响应系数为7.2A/W。p-Si/MoS₂也出现光二极管特性,但光响应系数较小。开尔文探针显微镜结果进一步证实n-Si/MoS₂界面处光生电荷分离效率要大大高于p-Si/MoS₂。结合开尔文探针显微镜结果及Si/MoS₂异质结构界面处能带排列,p-Si/MoS₂与n-Si/MoS₂光二极管特性分别归因于:p-n结界面处的内建电场导致光生电子-空穴对分离,以及光生电子-空穴对诱发n-Si/MoS₂界面处势垒高度及宽度发生变化。利用激光氧化的方法构筑了单层-少层WSe₂类肖特基二极管及WSe₂/WO₃平面异质结构,并发现两种类型器件在紫外及近红外波段均具有较好的光探测性能及光伏特性。WSe₂/WO₃平面异质结构的最大光响应系数及外部量子效率分别为2.5A/W和656%。而单层-少层WSe₂类肖特基二极管光响应系数、外部量子效率及能量转换效率分别为10A/W、2632%及1.3%。利用电化学电介质作为栅极调制了MoS₂/石墨烯异质结构的光致发光特性,并系统研究了异质结构激子态行为随栅极电压的变化规律。MoS₂/石墨烯异质结构激子强度以及负激子与中性激子强度比调制范围分别高达200及30,激子态位置偏移高达40me V。通过计算MoS₂载流子浓度及界面处的接触势垒,我们发现MoS₂载流子浓度的变化与界面处激子的层间弛豫共同决定MoS₂/石墨烯的光致发光行为,即在正向偏压下,激子的层间弛豫对MoS₂/石墨烯光致发光的调制起主要作用;而在负向偏压下,MoS₂载流子浓度的变化决定光致发光行为。此外,通过引入自组装单分子层调制MoS₂/石墨烯能带排列以及MoS₂载流子浓度,我们进一步验证了MoS₂/石墨烯异质结构中光致发光行为由MoS₂载流子浓度决定。通过电场调制WSe₂/石墨烯及WSe₂/MoS₂/石墨烯异质结构的光致发光行为,我们证实WSe₂与石墨烯界面处激子的层间弛豫决定着WSe₂/石墨烯异质结构的光致发光调控,而WSe₂中载流子浓度的变化起次要作用。而且WSe₂/石墨烯界面处的层间弛豫能力甚至要强于MoS₂/石墨烯及WSe₂/MoS₂界面处的层间弛豫能力。此外,栅极电场使得单层WSe₂与石墨烯之间的层间耦合作用增强,导致晶格平衡破坏,相邻晶格离子间的相互作用发生变化,最终使得石墨烯缺陷态出现。