二维材料,如石墨烯、二硫化钼（MoS2）和黒磷等,因其超薄、规则的结构和独特的光电特性而引起了人们广泛的关注。与无机材料不同,有机材料具有质量轻、成本低、高柔性、可低温大面积制备、溶液法加工和可控的光电性能等无可比拟的优势,是下一代电子器件的良好选择。其中,有机场效应晶体管（OFET）是研究有机材料光电特性的一种关键元件。最近的研究表明,有机场效应晶体管中的电荷输运过程仅发生在介电层与半导体层界面处的一个或数个半导体分子层内。而且,随着有机材料厚度的剪薄,有机二维材料在柔性、透明性和光电性能方面具有广阔的应用前景。近年来,随着分子工程和器件工程的发展,有机单分子层薄膜器件的制备和应用取得了巨大的进步,其中P型和N型半导体的迁移率均达到了非晶硅的水平。但是,OFET的制备和应用上仍然存在着一系列的问题,如较长的制备周期、较差的稳定性、单一的应用等,这些问题的存在使单分子层OFET的制备仍然停留在小规模实验阶段。鉴于此,本论文以单分子层OFET的制备和应用为目标,通过研究有机单分子层薄膜生长模式与其光电性能的关系,总结出几种高效地制备单分子层薄膜器件的策略及其在光电器件上的应用。本论文的主要内容分为以下四个方面:1.提出了二维空间相分离的方法,成功地实现了单分子层晶体的快速（<10 s）、简单、厚度均一、高质量且大面积（毫米级）的可控制备。该方法具有很高的普适性,适用于大量的有机小分子材料,如2,6-二-（4-正己基苯基）-蒽（C6DPA）、1,4-二（（5’-己基-2,2’-联噻吩）-乙炔基）苯（HTEB）、2-（1,3-二硫醇-2-亚甲基）丙二腈基-萘二酰亚胺（NDI）、二辛基-苯并噻吩基-苯并噻吩（C8BTBT）等高迁移率的P型或N型半导体材料。随着晶体厚度的剪薄,单分子层晶体呈现出很高的透明性和柔性,其透光率超过了93%（其中大部分波段接近100%）。除此之外,该方法普遍适用于多种基底,如二氧化硅（SiO2）、硅（Si）、石英、氧化铪（Hf2O5）、塑料（PET）等,这为下一代柔性、透明、可穿戴设备的发展和应用提供了重要价值。基于单分子层晶体的OFET器件均表现出良好的场效应特性,其中C8BTBT的迁移率达到3 cm~2V-1s-1。这些结果均表明,二维空间相分离的方法在单分子层晶体的制备和应用上具有巨大潜力。2.采用“一步法”高效地制备了有机单分子层晶体P-N异质结。通过将两种晶格常数接近的P型和N型有机小分子进行简单共混,之后经过快速旋涂得到了垂直分布的单分子层晶体P-N异质结。最后,对有机单分子层晶体P-N异质结在OFET、有机电路和有机光伏（OPV）器件上的应用进行了探索。基于单分子层晶体P-N异质结的OFET表现出非常平衡的双极性特性,其中空穴的迁移率为0.54 cm~2V-1s-1,电子的迁移率为0.50 cm~2V-1s-1。基于单分子层晶体P-N异质结的有机反相器也表现出明显的开关特性,其最大增益为14。基于单分子层晶体P-N异质结的OPV器件也表现出明显的光伏特性,其开路电压达到了1.04 V。除此之外,栅压、光强和波长对OPV器件的性能也表现出明显的调控作用。这些结果表明,单分子层晶体P-N异质结在OFET、有机电路和OPV中有着非常广阔的应用前景,并对有机光伏器件的工作原理、工作状态和器件物理化学关系提供了一种简单的研究模型。同时,也对下一代光电器件的研究具有重要的参考价值。3.通过机械转移的方法间接证明了OFET测试中的不稳定现象是由界面缺陷和接触电阻等混合机制造成的,并提出了一种高效制备高稳定性晶体管的策略。通过相分离的方法,有机小分子在聚合物表面和底部均形成大量呈岛状分布的单分子层晶体。形成的单分子层晶体不但可以有效地降低接触电阻、提高载流子注入效率,而且可以有效减少界面缺陷态密度,进而提高载流子的传输效率。该方法同样适用于基于DPP类聚合物的不稳定表现的晶体管。这些结果均表明,该方法在提高器件的稳定性上具有着重要的研究价值。4.提出了一种制备有机多孔单分子层晶体的策略。通过利用有机溶剂对介电层的侵蚀和晶体的快速生长,在介电层表面形成了大面积的有机多孔单分子层晶体。基于多孔单分子层晶体的晶体管表现出良好的场效应特性。相比于多层晶体,有机多孔单分子层晶体在气体传感上也表现出独特优势。基于多孔单分子层晶体的OFET表现出明显的传感特性,其中对氨气的检测浓度最低达到10 ppm,响应时间达到毫秒级。这些结果均表明,有机多孔单分子层晶体在传感器应用上的独特优势和广阔的应用前景。