近十几年来,由于二维材料具有诸多新奇的光学、电学、热学和力学性质,引发了人们对其研究的极大兴趣。众多新概念、新原理和新功能的二维材料器件相继被提出,对微纳电子领域的发展产生了革新性的影响。二维材料具有原子级厚度,存在很强的场效应和光电效应,在下一代超薄电子和光电子器件中具有很强的应用潜力。尽管最近二维材料器件取得了长足进步,但要使其实际应用,还有许多问题需要探索和解决。研究二维材料堆叠器件中的量子电容与二维材料异质结的光电子特性是发掘二维材料潜力的主要方向。因此对于二维材料器件的原理、制作工艺以及性能方面的不足还需要深入的研究。对此,本论文研究了基于石墨烯量子电容的场效应电子和光电子器件、石墨烯与二维材料异质结光电子器件,探索了二维材料光电子器件与硅基集成电路异质集成的方法,主要研究内容概括如下:（1）研究了二维材料在太赫兹频率下的应用,提出了石墨烯-二维材料绝缘体-石墨烯结构中的石墨烯光控量子电容的理论模型用于太赫兹频率和相位调制。模拟结果表明,光激发可以有效地改变其等离子体振荡波的频率和相位。（2）研究了石墨烯的量子电容和沟道电阻对石墨烯场效应晶体管的输出相位的影响。通过实验验证了石墨烯场效应晶体管输出信号的相位在量子电容和沟道电阻的影响下发生变化。而量子电容和沟道电阻是由栅极电压控制的,同时对这一现象进行了理论分析,建立了相移的仿真模型。（3）研究了一种基于垂直金/石墨烯/二硫化钼范德瓦尔斯异质结的双极型光电晶体管器件,该器件可以通过使用简单的硅半导体工艺批量生产。金不仅用作发射极,还是一种功能材料,二硫化钼作为集电极,石墨烯作为基极。金与石墨烯接触形成偶极子的电场与外加电场方向一致,从而增强了光电流,计算得到的最大光响应度为16500 A/W,光电流产生速度为1.48x10-4 A/s。（4）研究了一种可用于二维材料异质结器件的硅基CMOS读出电路。该电路可以用于与二维材料器件异质集成来处理其光电流信号。二维材料异质结光探测器恢复初始状态的过程具有严重的拖尾现象。为了解决该问题,可以采用CMOS工艺设计光电探测器的读出电路来加速其载流子复合进程,从而提高其响应速率。