低维碳纳米材料,如零维的富勒烯、一维的碳纳米管、二维的石墨烯等,因其特殊的能带结构和优异的电学和光电性能,一直备受研究者的青睐。特别是2004年石墨烯被发现后,重新掀起了碳纳米材料的研究热潮。单一材料在面向应用时,常受限于其“短板效应”,比如石墨烯具有超高迁移率,但其零带隙限制了它在逻辑电路中的应用。近年来,低维范德瓦尔斯异质结的提出,可以有效的“取长补短”,将两种材料的性能优势进行耦合,研究两种材料的界面物性,成为构建新型功能器件的新途径。在本文中,作者以低维碳纳米材料为基础,构筑了低维全碳复合薄膜或异质结构,系统地研究了材料界面的静态和动态载流子动力学,成功构筑了高性能光电探测器,并对其物理机制进行了深入分析。按照研究材料,论文可以分为两大部分,第一部分主要是基于OD C60FET和0D C60/2D graphene全碳复合薄膜的紫外光电探测研究。石墨烯零带隙结构使它能够实现宽谱吸收,特别是在马鞍点处具有光子吸收极值,使石墨烯成为了紫外探测器的优选材料。但受限于石墨烯单原子层吸收和超快的载流子弛豫过程,基于纯石墨烯的光电器件其响应度较低。C60在紫外波段具有超强光吸收,且具有类似石墨烯的原子排列结构,但其在氧化物衬底上生长受限。我们采用石墨烯作为生长模板,获得了高质量的石墨烯/C60全碳薄膜,将两种低维碳材料相互耦合,利用石墨烯的高迁移率和C60超强的光吸收,成功构筑了高性能的光电探测器,将器件的光响应度提高到107A/W量级,并实现了响应速度的可调。此外,全碳薄膜可应用于柔性光电探测器件,表现出优异的柔韧性和鲁棒性,充分展示了全碳薄膜在柔性光电子领域的巨大潜力。最后,我们利用石墨烯作为电极,探究了 C60本征的光电特性,器件响应度可达到5000A/W以上,响应带宽6kHz,说明了 C60在紫外探测波段具有很好的潜力。第二部分是基于1D碳纳米管和2D石墨烯全碳材料在突触仿生中的研究工作。受生物神经系统启发,人工神经元芯片也在快速发展。当前,神经元的仿真工作大部分是基于电激励方式,通过晶体管或忆阻器模型进行。而生物系统中,部分神经元可同时实现外界信息的采集和数据的处理;并且可以根据外界环境的变化对相同刺激做出不同的反应,因此人工仿生器件的原位调节也是一个挑战。我们构筑了石墨烯和碳纳米管全碳薄膜,探究了全碳界面的载流子动力学。并通过光刺激和电刺激模拟神经突触的可塑性,实现了短时程和长时程可塑性。短时程可塑性可以通过栅电压实现原位调控,并探讨了光脉冲作用时间、刺激频率、脉冲个数等对突触可塑性的影响,探讨其物理机制。借助双光脉冲进行了神经元网络原型的演示,实现了时空相关的动态逻辑功能。最后,我们首次实现了光逻辑运算功能,这对于类脑芯片的光子运算意义重大。综上所述,本文从实验上系统地研究了低维碳纳米材料及其异质结薄膜系统的光电性能和载流子动力学,并深入探讨了其物理机制,该研究工作对设计高性能光电器件及新型生物仿生工作具有重要参考意义。