单壁碳纳米管具有优异的电学、力学和光学特性,依据其不同的手性可以呈现出金属性或者半导体性,为碳纳米管在电子器件中的应用提供了多种可能。同时,石墨烯等层状二维材料拥有超薄的结构和丰富的材料类别,为构筑新型电子器件开辟了新的发展方向。其中,过渡族金属硫化物具有合适的带隙宽度、较高的载流子迁移率;碲化镓是直接带隙半导体,表现出明显的面内各向异性,可用于构筑基于场效应晶体管结构的光电传感器件和多值存储器件。作为半导体器件的基本结构单元之一,场效应晶体管具有多种典型结构和功能。其中,浮栅存储器是一种非易失性存储器,具有功耗低、访问速度快、成本低等特点,广泛应用于数据存储领域;鳍式场效应晶体管是在平面场效应晶体管结构的基础上发展起来的,表现出优于平面器件的栅极控制能力,同时也有效降低了器件的尺寸。本文基于碳纳米管、碲化镓和过渡族金属硫化物三种低维材料,系统开展了新型浮栅存储器和鳍式场效应晶体管的设计、构筑和性能研究,发展出了一种结合材料电学各向异性和层状二维材料范德华异质结的方法,实现碲化镓浮栅存储器的多值存储功能;提出了基于半导体性碳纳米管薄膜为沟道材料、均匀离散分布的铝纳米晶/氧化铝一体化结构作为浮栅层和隧穿层,获得高性能柔性碳纳米管浮栅存储器;获得了以垂直方式隔离的单原子层过渡族金属硫化物鳍式晶体管。取得的主要研究结果介绍如下。(1)材料沿不同晶体方向具有不同的晶格周期性,使得晶体表现出电学各向异性,这种特性在二维材料中更加明显。我们利用二维碲化镓材料的半导体特性,结合范德华堆垛技术以及微纳加工技术,以多层石墨烯作为埋栅,少数层碲化镓作为沟道材料,六方氮化硼作为介电层,获得了得到了具有大的开关比(>107)以及长的存储时间的浮栅存储器,刷新了基于二维材料的浮栅存储器的性能记录。此外,结合碲化镓的电学各向异性,通过改变栅压的大小,可以在浮栅的不同方向上获得差异明显的存储窗口,进而实现仅通过一次操作电压的写入,即可以读出多个阻态,且不同阻态的差异非常显著,不同阻值间的比值最大可达102。(2)可穿戴电子系统的迅速发展对柔性存储器的进步提出了更高的要求,碳纳米管成为柔性存储器设计和构建的理想材料。以往报道的浮栅型存储器的隧穿层通常为较厚的金属氧化物膜,由于氧化物膜自身力学性质的限制,在较大弯曲应力条件下,隧穿层会发生断裂,导致柔性器件的存储功能失效。我们提出了直接隧穿型的浮栅结构及碳纳米管薄膜的组合构架,极大地提高器件的柔性和耐久性,实现在大应变下高于105的电流开关比、存储时间超过108 s;同时,所制备的碳纳米管浮栅存储器件也表现出了优异的光电响应及光存储特性。(3)在过去的二十年中,鳍式晶体管垂直沟道中鳍的宽度已经从几百纳米缩小到亚十纳米级别,然而,由于光刻工艺精度限制,近年来鳍的宽度尺寸缩减遇到了瓶颈。我们提出了一种自下而上制备鳍式晶体管的通用方法,制备出二硫化钼、二硫化钨以及半导体性碳纳米管为鳍式晶体管的沟道材料,分别采用金属薄膜和碳纳米管薄膜作为栅极材料,获得最小0.6纳米鳍宽度的鳍式晶体管,器件表现出了双极性转换行为,电流开关比达到103,为进一步延续摩尔定律提供新的思路。