近年来, 二维材料(2D materials)突触晶体管器件由于其维度低、可同时读写操作、效率高等优势, 受到了研究者的广泛关注。然而, 由于二维材料的工艺兼容性、重复性以及复杂的转移过程, 它的实现仍然是一个巨大的挑战。本文采用简单的提拉法工艺, 实现了超薄铟镓锌氧化物(In-Ga-Zn-O, IGZO)半导体层(小于8 nm)的突触晶体管, 其工作电压低至3 V; 并成功地模拟了重要的生物突触行为, 包括兴奋性后突触电流(EPSC)、双脉冲易化(PPF)以及突触长程增强(LTP)等。在超薄半导体薄膜条件下, 由于缺陷的增强效应和栅电压对超薄半导体层可控性的提高, 有效提升了突触器件的记忆保持能力, 使其长程性能得到增强。这种改善突触晶体管长程特性的方式, 为利用普通材料制作高性能二维突触晶体管提供了一种简单易行的方法。

基于固态电解质的金属氧化物薄膜晶体管具有良好的环境稳定性和优异的电学性能，因而具有巨大的应用潜力。针对传统基于固态电解质金属氧化物薄膜晶体管调控方式工艺复杂、制备时间长的问题，本文采用高k固态电解质Ta2O5作为栅绝缘层，透明氧化铟锡(ITO)作为有源层以及源漏电极，在沉积半导体层和电极之前，利用飞秒激光对Ta2O5绝缘层薄膜进行照射处理。探究了不同激光强度对固态电解质金属氧化物晶体管电学性能的影响。随着激光强度的提高，晶体管的开态电流提高，阈值电压负向漂移。同时，本文进一步探索了激光对固态电解质晶体管突触性能的影响，兴奋性后突触电流(EPSC)随着激光强度的增强而增加。XPS测试表明，Ta2O5薄膜中氧空位含量增多，从而导致器件电导的变化。本文利用激光优异的加工处理速度和对材料性能的精确控制，提出了一种简单、快速(<1 s)、低温(<45 ℃)地调控晶体管性能的方式。

TFT的器件特性是影响氧化物TFT驱动的LCD显示屏良率的关键因素。本文研究了氧化物TFT的关键特性参数 (阈值，稳定性)对窄边框LCD显示屏的良率和可靠性的影响。氧化物TFT阈值过负，将会导致TFT无法正常关断，而使显示屏的外围移位寄存器(VSR)电路失效。另外，在显示区域用于像素驱动的氧化物TFT的高温和背光照射下阈值持续负向漂移，最终会导致显示区域的驱动TFT漏电流过大，从而使显示屏出现串扰和残影不良。

基于金属氧化物薄膜材料在中波红外波段应用的需求，研究了含水状态的TiO2、HfO2、Ta2O5和Y2O34种金属氧化物薄膜在中波红外波段内（2.5~5 μm）光学常数的色散特性。利用电子束蒸发沉积技术，在超光滑的硅表面制备了4种氧化物薄膜，基于洛仑兹振子介电常数色散模型，通过透射率光谱反演计算了4种氧化物薄膜的光学常数。研究结果表明：4种氧化物均有少量的水分子、羟基，水含量从少到多的薄膜依次为TiO2、HfO2、Ta2O5和Y2O3，在远离水吸收的位置，消光系数从小到大的薄膜分别为TiO2、HfO2、Ta2O5和Y2O3；在电子束蒸发沉积工艺条件下，为了降低水的影响，TiO2和HfO2是中红外波段较为理想的金属氧化物薄膜材料。