太赫兹技术在太赫兹光谱学、高速通信、安检成像、生物医学和天文遥感等领域获得了快速的发展,具有巨大的应用潜力。太赫兹探测技术的研究一直是太赫兹技术领域的关键。半导体微纳加工技术的快速发展,为低维材料在太赫兹和红外光电子器件领域的研究提供了有力的技术支撑。二维层状结构的半导体（半金属）材料因其面内载流子输运通道、较大的相对表面积和亚波长（深亚波长）的厚度尺寸而展现出独特的电学和光电子学性质,为实现高速度、高增益、偏振敏感和宽波段响应的高性能光电探测提供了可能。然而,受本征暗电流大和光电耦合能力弱的影响,目前二维材料的可见-红外-太赫兹探测器的响应率和响应速度等性能依然偏低。尤其是红外-太赫兹波段的光电探测性能还有很大提升空间。因此,本论文开展了对基于石墨烯,黑磷,拓扑半金属和激子绝缘体等多种二维半导体（半金属）材料的光电探测器的研究,探测器的响应波段覆盖了从可见、红外到太赫兹。本论文通过数值计算、理论分析和实验测试等方法研究了上述探测器的光电响应机理,采用了诸如超材料天线耦合、超短沟道聚焦、非对称接触电极、范德瓦尔斯异质结和激子绝缘体相变等多种新机理和新方法提升探测器的响应性能。本论文的主要创新点包括:（1）根据数值计算和理论分析结果设计并制备了具有超材料微结构天线的石墨烯太赫兹探测器。通过天线耦合和电学调控等方法提升器件性能,实现了室温下高响应、高速太赫兹探测。通过时域有限差分（FDTD）法研究了方形螺旋天线和开口谐振环天线在太赫兹耦合聚焦过程中的作用。分析了在光电转化过程中源漏电压和栅电压调控下光电流方向的变化,获得了光电导效应,光热电效应,bolometric效应和等离子体波共振效应分别对光电流的贡献度。这类太赫兹探测器具有制备工艺简单,可与硅基半导体工艺兼容,易于调控,可批量生产等优势,且性能位于同类器件前列。（2）为了实现高速,高灵敏的室温太赫兹探测,设计并制备了超短沟道黑磷太赫兹探测器。通过改进传统器件制备工艺,利用低成本倾角蒸镀技术实现了超越趋肤深度极限的超短沟道器件,大幅提升了室温下二维材料器件在太赫兹频段的响应能力。该器件同时克服了在二维材料光热电效应太赫兹探测中出现的两个困难:较大的光斑同较小的热敏区域的不匹配和较小的材料厚度同较大的太赫兹波长的不匹配。该工作实现了太赫兹电磁场在亚30纳米尺度范围持续增强聚焦,并采用非对称接触势促进了太赫兹激励下黑磷沟道内热电子的高效产生与光电转换,实现了高灵敏的室温太赫兹探测和透射成像。（3）硒化铂（PtSe2）作为一种新型的过渡金属硫族化合物（TMDs）材料,其半金属特性在长波探测领域具有独特的优势:覆盖波长范围大和响应速度快,为太赫兹探测器的设计和研究提供了新可能性。本论文设计并制备了基于Ⅱ类狄拉克半金属硒化铂的太赫兹探测器,实现了高速、高响应率的室温太赫兹探测。为了克服这种探测器在偏置电压工作时出现的暗电流大,噪声大等缺点,通过引入非对称接触势,构建范德瓦尔斯异质结的方法实现了零偏压下工作,抑制了暗电流和噪声,提高了太赫兹探测灵敏度,并实现了室温下的无损伤透射成像。（4）激子绝缘体Ta2NiSe5具有稳定的直接带隙特征,在可见到红外范围内都具有高效吸收的能力,为实现可见-红外光电探测提供了有利的条件。本论文生长并表征了高质量的Ta2Ni Se5材料,制备了基于该材料的宽波段光电探测器并测试了其光电响应性能。发现该探测器不但在可见-红外波段有响应,在太赫兹波段的响应也十分灵敏,而且响应速度比可见-红外波段提高了三个数量级,这说明两者具有完全不同的响应机理。另外,通过偏振拉曼,x射线衍射,透射电子显微等方法证明了激子绝缘体相的存在,在发生激子绝缘体-半金属相变的温度附近,用1550 nm激光照射器件,发现光电流会发生跃变。研究结果可能为用光激发的方法探索激子绝缘体相变提供基础。