原子层厚度的二维材料,由于其电子被限制在二维平面方向运动而具有一些不同于三维体材料的独特的力、热、电、光性能,因而将会在未来的几年到几十年之间成为物理、材料、生物、化学等领域研究的重点和热点。二维层状过渡金属硫属化合物(TMDCs),一种不同于石墨烯的零带隙结构,因为其具有厚度依赖性的能带结构和易调控的物理化学性能,而在众多二维材料中展现出了巨大的优势和发展前景。众所周知,当层状材料的厚度减小到一两个原子层的厚度时,其表面会变得非常敏感。例如对衬底和周围环境或层间的堆垛结构等异常敏感,这就导致其具有易调控的物理化学性能。本论文从TMDCs材料原子层面的相互作用出发,从两个方面对其进行研究：(1)从里往外看,研究不受外界衬底影响的TMDCs材料自支撑结构的制备；(2)从外往里看,研究层与层间的相互作用,如相邻层间边界的相互作用和层间的耦合作用。针对自支撑结构的制备,本论文结合化学气相沉积和湿接触印刷技术,成功地在多种纳米图案衬底上制备了大面积的层状TMDCs材料的自支撑结构。随后,我们对这种纳米尺度上形成的独特的固液气界面进行了分析,并对自支撑结构形成的机理进行了探索,这为在其他纳米图案衬底上设计不同层状材料的自支撑结构提供了理论指导和实验摸索。最后,我们制备得到了基于层状TMDCs材料的自支撑结构的光电探测器,并测试了其光电性能。对于相邻层边界的相互作用而言,本论文首次观察到了MoSe2单层与双层、双层和三层边界上内在结的存在,同时其表现出了比较明显的整流效应和光伏效应。通过对相邻层边界上精细能带结构的理论计算和实验分析,我们发现这种结是一种类似于p-n结的半导体结。不同于传统半导体结,这是一种仅二维TMDCs材料才具有的本征结,并且其强度具有厚度依赖性。最后,我们通过制备基于此结的串联太阳能电池阵列来说明其在工业应用和商业方面具有巨大的发展潜力。对于层间的耦合作用而言,本论文首先通过范德瓦耳斯外延生长法制备了C7堆垛结构的MoSe2/WSe2异质结结构。实验发现这种堆垛方式具有较强的层间耦合作用,并能观察到发光耦合峰。然后,我们通过设计不同的机械拉伸模式实现了对耦合作用大小的调节。实验发现在外界应力的作用下,层内直接带隙(MoSe2或WSe2)能带结构的变化和层间(耦合峰)间接带隙能带结构的相对变化,这为后面提高基于面间异质结柔性器件的光电性能具有指导作用。本论文通过对TMDCs材料在原子层面上相互作用的研究,丰富了对TMDCs材料性能的调控方法,扩展了人们从原子层面对TMDCs材料的认识,并且推动了基于TMDCs材料半导体器件的发展。