众所周知,随着科技的不断进步,现在的日常用品正在向体积小型化,重量轻量化的方向发展。这无疑给科技人员提出了更高要求:需将产品体积重量变小,但是功能还必须齐全。纳米材料的出现给了科技人员无限的期待,相对于常规体材料,纳米材料拥有超高的比表面积、小的尺寸、小的质量,从而纳米材料可以使人们在一个很小的单元上做成光电器件实现常规器件所具备功能。石墨烯的出现就是一个很成功的例子:自2004年英国曼彻斯特大学的两位科学家成功剥离出石墨烯以来,近十年来的时间里,石墨烯因其优异的光学、电学、力学和电化学特性而备受瞩目。尽管如此,本征的石墨烯不存在带隙,这严重的限制了其在光学及电子学器件方面的应用,即使经过化学改性获得小的能带带隙,但这都必须以牺牲其他方面的性能为代价。这时候,人们必须寻找新的二维材料,与石墨烯类似的氮化硼、过渡金属氧化物(Ti02等)、过渡金属二硫化物(MoS2、WS2、TiS2等)都是典型二维材料。其中拥有天然可见光带隙的过渡金属层状二维材料最为诱人。有鉴于此,本文从最基础的过渡金属层状材料合成制备着手,通过对材料成核机理的深入研究,在实验上通过对生长参数的控制实现了 WS2二维层状材料的可控生长,然后对丰富的材料做了进一步的光学性质研究,包括荧光光谱,瞬态光谱以及非线性等光学性质研究。主要代表性研究成果归纳如下:(1)率先通过化学气相沉积法实现了二维WS2材料的合成,成功地实现了堆垛、单层、螺旋结构的二维WS2纳米薄膜的制备。在此基础上,根据材料制备过程参数的不同我们进一步细化了每一种结构的可控生长,并且实现了堆垛结构从少数层到多层,单层结构由小到大,螺旋结构从单螺旋到多螺旋结构的可控生长,大量摸索得到材料制备实验参数弥补了二维晶体材料成核生长方面的空白。(2)从实验上进一步验证了二维薄膜结构位错导致的螺旋生长机理,鉴于位错数量和位错夹角不同可能将导致不同的结构形貌,而且这方面研究几乎一片空白,原因主要是由于样品制备的难度很大,表征手段比较繁琐。但是我们可以用很简单的制备方法合成大量的螺旋位错数由少到多的结构,结合大量的原子力显微镜的分析得到了位错数及位错夹角的不同将导致不同的结构形貌。我们惊讶的发现,随着位错数增加,结构将变得更加复杂,当位错线夹角为0°、120°时将会是三角形状,夹角是60°时将会是六角形状。这一研究发现也进一步弥补了螺旋多位错数生长方面的空白。而且还可以发现螺旋驱动生长过程中空间选择的重要性,当空间不足时,部分位错将会停止或者和其他位错合并生长。(3)由于二维材料结构对称性破缺将导致很强的非线性光学效应。因此,我们将生长在Si02衬底的螺旋样品转移到透明衬底后,用飞秒光聚焦测试得到了很强的SHG以及THG信号。随着螺旋结构层数增加SHG强度也在增加,区别于以前的奇强偶弱的规律性,而且对于螺旋结构中心SHG和THG变功率测试结果完全符合二次/三次方关系。(4)同时我们分别对三种不同结构的WS2纳米片的非线性光学性质做了进一步的研究,由于WS2是蜂窝状结构,那么他的结晶边缘就可能是Armchair或者Zigzag型。通过对单层结构SHG偏振分析确定边缘是Zigzag型,而且由于晶体的六角对称性,得到的偏振分布式六角花瓣状的。最强的信号方向平行于Armchair方向。对于堆垛结构的SHG偏振测试类似于单层的,只是信号强度要远远强于单层。然而螺旋结构的SHG偏振测试结果会发现信号最强的方向和Armchair方向偏转了 10°～20°。由于晶体的SHG取决于晶体晶格结构,经过TEM详细分析发现螺旋结构由于位错的存在导致在位错生长前后晶格方有大约5°左右的偏转。另外,由于WS2晶体结构的六角对称性,导致SHG信号偏转角度是晶格方向偏转的3倍。(5)系统的研究了单层WS2薄膜在连续激光激发下,光功率改变情形下对光致发光、拉曼光谱的影响,以及在脉冲光激发下,改变激发光功率对瞬态光谱的影响。随着连续激发光功率增强可以明显看到光谱强度的增加并伴随光谱的红移,当功率增加到一定值时,光谱强度降低并依旧伴随光谱红移。经过全面分析,这是由于增加激发光功率导致载流子浓度升高导致单层WS2带隙重整同时出现了光猝灭行为。功率变化的拉曼光谱测试也证实了这一解释。E2g拉曼模式峰位没有变化以及对电子浓度比较敏感的A1g模式峰位向短波数移动可以顺利排除温度的影响,证明是载流子浓度增加起主要作用。脉冲光功率改变测试的瞬态光谱进一步呈现出了激子,三激子和非辐射复合在光致发光过程的贡献以及相对比例的变化。