PN结是电子学和光电子学器件的核心部件。随着器件的尺寸越来越小,纳米尺度PN异质结的研究显得尤为重要。然而,因为悬挂键和晶格失配,传统材料很难实现原子级平整的异质结界面,限制了纳米尺度PN异质结的发展。二维材料是一类层间依靠范德华力结合在一起的表面无悬挂键的层状材料。二维材料通过简单的堆叠,就可以实现各种功能的原子级平整的异质结。因此,二维材料为我们研究纳米尺度的异质结提供了理想的平台。本论文主要研究三种不同类型的范德华异质结。三个异质结都展现了独特的电学和光电子学特性,证明纳米尺度范德华异质结是研究新原理器件和物理机制的有效手段。通过对异质结性能的表征,证明纳米尺度范德华异质结在纳米电子学和光电子学领域拥有巨大的应用前景。本论文首先介绍石墨烯(graphene)/二硒化钨(WSe2)范德华异质结中的整流特性和极性反转特性,并介绍该异质结的优异光伏探测性能。该异质结在零偏压下的光响应率可以达到66.2mA/W,比探测率可以达到1013cm Hz1/2/W。然后介绍黑砷磷(b-AsP)/二硫化钼(MoS2)异质结的光电特性。利用b-AsP/MoS2异质结为例,我们提出了一个普适方法来提高室温中红外光电探测器的性能。宽带隙与窄带隙材料堆叠而成的二维异质结红外探测器,可以极大地抑制暗电流和噪声,大幅提升器件的性能。基于b-AsP/MoS2异质结探测器的性能超过了现有的商用室温中红外探测器的性能。最后介绍硒化铟(InSe)/黑磷(BP)异质结独特的电学和光电性能。在InSe/BP异质结中,我们首次观测到弹道雪崩现象,并基于此现象制作了弹道雪崩光电探测器和弹道雪崩场效应晶体管。基于弹道雪崩机制的中红外探测器展现了极高的光子放大倍数,噪声可以低于传统雪崩探测器的理论极限。基于弹道雪崩机制的场效应晶体管的平均亚阈值摆幅可以达到0.25mV/dec。为了证明该雪崩探测器的工作机制是弹道雪崩,我们测试了 BP垂直方向的法布里-波罗(Fabry-Perot)干涉图案,直接证明了载流子在BP垂直方向的输运是弹道输运。