碳纳米管因其特殊的能带结构和优异的电学和光学性能,一直备受研究者的青睐。然而,纯净的碳纳米管由于其化学键结合能大,很难在光照下产生出自由载流子,其表面能很低;此外,金属型碳纳米管的存在也限制了其在光电探测中的应用。近年来,研究者们通过很多方式对碳纳米管改性,去提高其光电探测性能,包括使碳纳米管定向;N掺杂和构建范德华异质结等方式。本论文以单壁碳纳米管作为研究材料,针对如何提高基于单壁碳纳米管修饰的光电探测器的性能,采取定向处理、掺杂改性、构建范德华异质结等方法调控其界面能带,并运用各种表征技术和能带理论系统研究了其薄膜的表面形貌与载流子动力学,成功构建了高性能光电探测器。按照研究材料,论文可以分为四大部分:第一部分是基于聚合物辅助定向法制备大面积的定向单壁碳纳米管薄膜。通过研究聚合物浓度、离子分散剂浓度等因素对单壁碳纳米管薄膜取向的影响,得到最优化的定向薄膜,并用定向的单壁碳纳米管薄膜制备了对可见光-近红外波段敏感的光电探测器。器件的偏振度指数S接近于1,最大响应率为20μA/W@780nm,最快响应时间为34 ms@532 nm,说明了定向处理后的单壁碳纳米管有很好的应用潜力。第二部分是基于掺杂五族元素以及利用高功函数/低功函数电极结构去提高单壁碳纳米管器件性能。通过改变掺杂联氨的浓度得到了器件最优化的掺杂比例,即联氨掺杂浓度65%wt时器件的最高响应率为R_max=292.5 mA/W@532 nm,响应时间为34 ms。此外,构建的Au-Al电极非对称结构器件的响应电流远远大于Au-Au对称电极结构器件的响应电流,并用能带理论详细分析了其原因。第三部分是基于单壁碳纳米管/石墨烯/P3HT复合薄膜的光电探测研究。单壁碳纳米管在可见光到近红外波段吸收率很高,石墨烯零带隙结构使它能够实现宽光谱吸收,P3HT与其它两种材料复合都能明显提高其光电探测性能。我们综合利用三种材料各自优点,构建了高响应、宽光谱的光电探测器,器件的最高响应率为R_max=10466 A/W@650 nm,响应时间为为1.532 s。说明了将多种低维材料与有机功能材料复合能明显提高器件的响应,为其他低维材料光电探测器件提供了参考。第四部分是基于单壁碳纳米管/石墨烯/C₆₀复合薄膜的光电探测研究。C₆₀在紫外波段具有超强光吸收,且与石墨烯具有类似原子排列。我们利用三种碳的同素异形体构建了宽光谱探测器,其响应波段覆盖405 nm到980 nm。探测器最高的响应率为P_max=10597 A/W@450 nm,响应时间为99.2 ms。此外,提出了一种改进器件响应速度的方法,即用持续的可见光作为栅极光源,可以对脉冲的红外源级光照下的器件的光响应进行调制。综上所述,本文从实验上系统地研究了基于碳纳米管的光电探测器的光电性能和载流子动力学,并深入探讨了其物理机制,该研究对设计高性能光电器件具有重要参考意义。