集成的电子器件可以应用于传感器、电子皮肤和人工智能等前沿信息交叉领域,高性能电子器件的重要性激发了学界对新型半导体材料的探索。国际半导体技术蓝图(ITRS)预测硅基电子器件在2020年后将达到极限,因此需要更优秀的替代材料来推动新型电子器件的发展。在过去的十余年中,二维(2D)层状半导体材料因其独特的电子结构和传输特性而受到广泛关注。尽管二维半导体作为下一代纳米电子有极为卓越的光学和电学特性,但是仍有很多核心的限制性问题亟待解决,相关的研究还仍处于起步阶段。在本文中,我们针对该领域存在的性能限制性问题设计构建了性能优越的新型结构二维场效应晶体管(FETs),并且对其在神经信号检测等方面的应用进行了探索和研究。首先,为了解决二维半导体材料中最为典型的过渡金属硫化物(TMDs)在生长和转移过程中不可避免产生的空位在电子传输过程中造成的载流子散射问题,我们提出了一种简单、有效的使用低功率氮等离子体快速修复过渡金属硫化物中本征硫空位的方法,并利用高分辨率球差校正扫描投射电子显微镜(STEM,JOOLAEM200F)证实了硫空位的存在和氮等离子体对它的有效修复,通过质心拟合的方式计算出修复后的空位密度降低了4倍。更重要的是,氮等离子体修复的二硫化钨(WS2)场效应晶体管展现了优异的电学特性和接触状况,与修复前的WS2器件相比,场效应电子迁移率提高了 6.2倍,可达184.2cm2/V·s,阈值电压低至3.8V。为了进一步解释氮等离子体掺杂的物理机制,我们利用第一性原理模型计算了 WS2氮原子修复前后的电子能带结构。结果表明,其有效电子质量逐渐降低(0.85me-0.83 me),载流子迁移率上升,仿真结果为实验现象提供了有力的理论支持。其次,针对金属与二维半导体材料接触界面之间不可避免产生的化学无序与费米钉扎的现象,我们开发了一种低晶格失配(1.1%)的二维硒化铟(InSe)与硒(Se)的垂直范德华异质结器件结构,形成了一个基本上没有化学无序与费米钉扎的范德华接触界面。其中,二维Se层作为隧穿层和保护层,防止了电子束蒸发沉积过程中由于直接金属化对二维InSe界面的损伤。使用这种方式,我们的范德华异质结器件实现了场效应电子迁移率约为2500cm2/V·s的突破,并在室温下具有了高达10-3A的开态电流。室温储存两个月后,器件的场效应迁移率仅下降了 3.46%。此外我们还对该结构器件进行了光响应方面的研究。最后,我们构建了兼具高稳定性和高迁移率的使用有机聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)夹层的二维InSe场效应晶体管,室温储存一个月后仍然保持了低于0.4V的滞后,以及在外置10V栅极偏压300s后低于0.6V的阈值电压的漂移。我们构建了不同衬底的器件,建立了第一性原理计算的模型,证明了我们的有机PMMA夹层二维器件电子结构的稳定性以及与其他衬底相比较的优越性,并且深入的探讨了界面的相关物理机制。此外,我们还对高稳定性的InSe晶体管在蛙坐骨神经电位信号的实时原位监测领域的应用进行了研究。本论文关于新型高性能二维电子器件的探索和研究,为其在下一代纳米电子器件领域的应用提供了重要的理论和实验基础。