过渡金属硫化物二维材料因其在光学和电子器件等领域所表现出的广阔应用前景而备受科研人员的青睐。然而,当前对于过渡金属硫化物的研究还处于初级阶段,大多数过渡金属硫化物的生长方式由于成本高昂、工序复杂,难以满足大规模应用的需求。不仅如此,常规的二维材料表征方法也难以实现多功能、高效率的原位表征。同时,当前的研究主要集中于各类过渡金属硫化物材料本身的特性研究,而对基于过渡金属硫化物异质结的新型忆阻功能器件的研发工作相对较少。论文从过渡金属硫化物的固相法生长出发,开展了快速、无损的过渡金属硫化物二维材料的超快非线性光谱特性研究,并深入探究了过渡金属硫化物二维材料及其异质结的忆阻特性和阻变机理。论文的主要内容包含以下三方面:（1）研究了快速低成本的过渡金属硫化物的固相生长方法。通过对固相前驱体金属原子层的高温硫化,实现了2英寸晶圆尺寸的过渡金属硫化物二硫化钼（MoS2）和二硫化钨（WS2）的生长。实验发现,改变金属原子层厚度能有效实现不同层数的二维材料生长,并且温度越高（范围650～850℃）所生长的材料缺陷越少。在此基础上,设计实现了一种免转移的二维材料三硫化钛（Ti S3）纳米带的生长方法,在无需预处理的条件下成功将二维材料Ti S3的合成时间从数天缩短至24小时。此外,实验还采用固相法生长得到了2英寸的石墨烯样品。结果表明,封闭区域的退火方式相较于开放区域的退火方式能有效提高石墨烯生长质量,同时减少表面催化金属镍的残留。（2）针对过渡金属硫化物二维材料及其异质结开展了飞秒激光非线性光谱特性研究。实验结果表明,仅当MoS2和WS2二维材料为奇数层时才能检测到二阶非线性光谱信号,同时非线性光谱特性能较好地反映出二维材料的表面形貌（褶皱、重叠和缺陷等）。并且,通过对WS2/MoS2异质结的四波混频（FWM）信号表征发现,FWM信号强度在材料层数10层以下时与层数呈现明显的线性关系。进一步在利用非线性光谱特性表征各向异性二维材料Ti S3时发现,通过检测Ti S3的偏振四波混频（P-FWM）信号可确定其晶轴取向（当激光偏振方向与Ti S3的b轴平行时信号强度最大）。此外,实验过程中还观察到了不同异质结对非线性光谱信号的调制作用。（3）基于过渡金属硫化物二维材料的固相生长和超快非线性光谱特性,论文进一步研究了过渡金属硫化物二维材料及其异质结的忆阻特性。通过固相生长法实现了超薄WS2/MoS2异质结忆阻器的制作,测试结果表明该器件的稳定循环次数能达到100次以上,同时在较低的工作电压下开关比可高达10~4。实验对比了以单一WS2或MoS2作为功能层的忆阻器,发现其具有不稳定的忆阻特性,并简要阐述了原因。进一步,通过分析WS2/MoS2异质结的横切面和区域电阻,提出WS2/MoS2异质结忆阻器的阻变现象主要归因于II型异质结中离子迁移所导致的能带结构变化,并最终影响了二维材料异质结的电阻特性。这种基于金属-半导体异质结-金属（MHM）架构的忆阻器设计思想能有效地减少传统金属-绝缘体-金属（MIM）架构忆阻器跳变过程中的随机性,使得器件性能更加稳定。论文主要围绕过渡金属硫化物的固相生长、非线性光谱特性和忆阻器应用三方面展开了研究。为实现多种二维材料的快速、低成本和大面积生长提供了一种简单快速的方法;并通过超快非线性光谱实现了对二维材料表面形貌、层数和晶轴取向等材料特性的快速无损检测;最后制作了WS2/MoS2异质结忆阻器,为实现更为稳定的二维材料忆阻器提供了原型设计和理论指导。