随着微电子技术的不断发展,传统的硅基晶体管技术终将面临其物理极限,基于新材料和新结构的器件研究被人们寄予厚望,为探索下一代电子器件技术提供了新的思路。二维材料由于其优异的电学、光学及力学性能而受到研究者的广泛关注,基于二维材料的电学及光电器件在很多方面展示出突破传统器件性能的巨大优势。本文主要研究基于二维材料的热电子器件,利用二维材料的独特优势,设计了基于全二维材料的热电子晶体管,以及基于热电子注入机制的宽光谱电荷耦合器件。首先,研究了两端异质结的基本电学与光电性质,分析了载流子输运的主导机理,发现在石墨烯/硒化钨/石墨烯异质结中热发射和隧穿机制共同主导,而在石墨烯/氮化硼/石墨烯异质结中主要由FN隧穿主导。第二,在实验上制备了基于石墨烯/硒化钨/石墨烯/硒化钨/石墨烯五层结构的热电子晶体管,实现了对热电子发射和收集的控制,验证了在对称结构中发射极-集电极交换前后的器件性能相近,并通过加厚硒化钨势垒实现了对背景电流的抑制,得到了接近90%的热电子收集效率。第三,用高势垒的氮化硼代替其中一层硒化钨制备了非对称势垒的热电子晶体管,通过对比实验发现高势垒发射、低势垒收集可以获得高的收集效率,但是势垒过高会造成器件难以关断,实验上通过减薄氮化硼厚度来得到较好的关断特性。实验上观察到不同极性偏置下的输出曲线,通过理论计算探讨了热电子和热空穴主导传输的可能性。在优化后的器件中,得到了接近于1的热电子收集效率、400 A/cm~2的输出电流密度以及较好的饱和特性。最后,在实验上制备了基于单层石墨烯/氧化硅/硅/多层石墨烯的电荷注入器件,通过多层石墨烯吸收红外光,利用石墨烯中热电子的俄歇倍增效应获得较高的热电子温度,将热电子分布中的高能电子注入到硅的深耗尽势阱中,最后通过单层石墨烯的场效应将电荷进行读出,这种热电子注入机制将硅基电荷耦合器件的响应范围拓宽到4μm,实现了硅基器件在可见至中红外波段的宽谱探测。上述结果表明,基于二维材料的电子与光电器件可以充分利用二维材料的独特优势,实现器件性能上的突破,而二维材料与传统硅基技术的结合,可以拓宽传统硅材料的功能,实现两者优势的结合。这些研究为新一代电子器件的研制提供了思路,同时也为二维材料的应用进行了有意义的探索。