二维层状材料因其超薄的厚度、原子级的平整度和无悬挂键的表面等特征，有望取代传统的半导体材料。石墨烯，作为其中的一员，已经得到受到研究人员的广泛关注，在高速晶体管、非线性光学和透明电极等方面极具应用潜力。然而由于其零带隙的特征，石墨烯的晶体管和光电器件往往表现为低的开关比和高的漏电流。与之相反，二维硫族金属化合物半导体拥有1-2eV的带隙，弥补了石墨烯的不足。其中以MoS2为代表，在电子和光电子领域展示了广阔的应用前景。而其他二维材料的可控合成、电子和光电子器件性能仍然处于探索阶段。在本论文中，我们合成了几种二维层状材料，探索了其电子和光电子器件的性能。主要研究成果总结如下:　　(1)利用化学气相沉积合成二维层状材料。　　首先合成了单层的WSe2三角形纳米片。利用扫描电镜和原子力显微镜表征了纳米片的尺寸和厚度。光致发光光谱证明了WSe2纳米片的能带从单层的直接带隙到多层间接带隙的转变。考虑到WSe2的厚度依赖的能带，而ReS2随厚度变化保持直接带隙结构，我们在柔性的碳布和刚性的硅片上分别合成了超薄的ReS2纳米片，并结合低温实验和理论模拟，证实了S空位存在于合成的ReS2纳米片中，对器件的性能有很大影响。　　(2)n型二维材料HfS2的电子和光电子器件研究。　　我们系统的研究了背栅和顶栅结构的HfS2光电晶体管，发现场效应迁移率和电流的开关比强烈依赖于金半接触和沟道厚度。金接触和7-12nm厚的沟道材料所制备的晶体管与其他条件下制备的晶体管相比，表现了更优异的性能，开光比为107等。同时，光响应度高达890A/W，光增益为2300，高于大多数层状材料的器件性能。而且，发现了不同金属接触可以调节器件的光响应速度。金接触的最快的光响应为32ms。之前报道的顶栅二维材料晶体管的介电层大多需要10nm以上的厚度，而对于项栅结构的HfS2晶体管，只需要5nm的HfO2就可以达到pA量级的漏电流。　　(3)p型二维材料GaTe的电子和光电子器件研究。　　首先表征了GaTe各向异性的晶体结构，结合低温输运实验和第一性原理计算，证明了Ga空位对GaTe晶体管的电学性能有很大影响。通过抑制热激活的Ga空位，得到了低的pA量级的关态电流和高的105的电流开关比，大大提升的器件的性能。而且光响应度也达到了800A/W。将为数不多的p型二维材料GaTe应用到实际器件中，器件尺寸缩小所引起的短沟道效应必然需要考虑。我们制备了p型GaTe和n型MoS2的短沟道晶体管。利用电子束曝光，最短的GaTe晶体管器件沟道为50nm。通过一系列的器件分析，得出GaTe晶体管的沟道的厚度和长度与短沟道效应的关系。传统的加工方法对于制备更小尤其是低于10nm的沟道比较困难，我们设计了新的加工方法制备了沟道低于10nm的MoS2晶体管。单层的MoS2晶体管表现了106的开关比，而且没有表现出明显的短沟道效应。集成电路以反相器为例，获得了较高的电压增益，展示了这种新的加工方法对于器件的集成有很好的应用前景。