二维半导体材料包括石墨烯和过渡金属硫族化物(TMDs)如MoS2和WS2等，具有优良的物理光电性能，例如，较高的载流子迁移率;完全透光性;可弯曲性;单层为直接带隙结构;良好的场效应和光敏气敏性能等。近年来，由不同二维半导体材料叠加而成的范德瓦尔斯异质结也逐渐兴起，它们由较弱的范德瓦尔斯力结合在一起，能带带阶为Ⅱ型结构，因而表现出独特的物理性能和器件功能，例如，原子层厚MoS2/WSe2 P-N异质结具有良好的整流、光伏和电致发光特性。这表明，二维半导体材料及其异质结在未来的光电子领域中，包括场效应晶体管、光探测器、光电池和LEDs等，具有广阔的应用前景。本论文全面系统的研究了二维半导体材料（WS2、MoS2和WSe2等）及其异质结的生长和物理性能，并探索了它们在光电子器件中的应用价值，主要内容和结果如下:　　1.采用了一种简单的水热法合成了不同的WO3纳米结构，包括纳米线，纳米棒束和纳米管束等，它们可以作为合成二维WS2的前躯体。发现，溶液PH值，硫酸铵和酸化剂对控制WO3的形貌有着很大的关系。六角相h-WO3纳米线表现出了可逆高效的紫外光敏性能，光开关比可达60倍。紫外光响应的机制为光生电子空穴对诱发的可逆的电化学反应。研究表明，较大隧道通道的六角晶相，较大的比表面积和较少的缺陷态密度，以及较强的入射光功率都有利于提高WO3纳米结构的紫外光敏性能。　　2.采用化学气相沉积法(CVD)，以WO3纳米线为前躯体制备了二维超薄WS2纳米片，并提出WS2纳米片的生长机制为剥离伸展的过程。发现WS2纳米片具有良好的铁磁性能，室温下饱和磁化强度Ms和矫顽力HC分别可达0.0058 emu/g和92 Oe，低温下矫顽力HC达到了1115Oe，表明了长程磁有序的存在。第一性原理计算证明了WS2的铁磁性是来源于具有很强自旋极化的边缘S和W原子。接着，我们在WS2表面修饰了一层WO3纳米颗粒。这种复合材料表现出了反常的光电流响应，光照电流下降，光关电流上升。第一性原理计算表明表面修饰的四角相WO3与六角相WS2具有Ⅱ型能带带阶，因此会导致有效的电荷分离，使电子在WO3中积累，而空穴在WS2中积累，这导致了反常的光电流响应和大幅度提高的光催化活性。表明二维WS2和表面功能化的WS2复合材料在自旋存储器、光探测和光催化领域的应用研究上具有重要的价值。　　3.我们用CVD法和微机械剥离法制备了原子层厚的二维半导体材料，包括石墨烯、MoS2、WS2和WSe2等，并研究了它们的物理性能和器件应用。发现由于层间耦合相互作用，它们的能带结构、发光和拉曼性质随着层数的变化而变化，二维TMDs在单层状态时为直接带隙并且拉曼模式（E12g和A1g）频率差最小。原子层厚MoS2和WS2都表现出N型行为，电子迁移率分别为10.3和1.86 cm2/Vs，开关比分别达到了106和105，表明了优良的场效应性能。而多层WSe2晶体管表现出了明显的双极行为。多层WS2展现出优良的光响应性能:响应时间小于20 ms，光敏度和外量子效率分别可达5.7 A/W和1118％。另外，它对O2、乙醇和NH3等气体具有很高的敏感性，气体分子和WS2之间会产生电荷转移，从而影响器件的电输运和光响应等性能。值得指出的是，在NH3中，最大光敏度和外量子效率分别可达884 A/W和1.7×105％。我们的工作表明二维半导体材料具有优良的光电性能，在场效应晶体管、高敏感光探测器和气体传感器等领域有着非常重要的应用前景。　　4.采用转移法制备了由二维半导体材料组成的范德瓦尔斯异质结。发现石墨烯/WS2异质结具有强烈的层间耦合作用，从而导致大量的PL湮灭和明显变硬的声子模式。它还表现出了可调控的整流效应（整流开关比为103）和双极特性，相对单一组分，它的光开关比也被大大的提高(103)。而在双层MoS2/WS2异质结中，层间耦合作用很弱，导致电荷转移的效率很低。基于多层MoS2/WS2异质结的垂直和水平晶体管表现出了奇特优良的光电性质和器件功能。垂直晶体管表现出了明显的整流特性（整流开关比为103）和双极性行为（正向偏压下为N型，反向偏压下为P型），这是由MoS2和WS2的Ⅱ型能带带阶和能带倾斜所致。由于内建势的存在，它还具有优良的光伏特性和自动光探测功能，开路电压为0.25 V，光开关比为103。异质结水平晶体管表现出了明显提高的场效应开关比(＞105)、电子迁移率(65 cm2/Vs)和光敏度(1.42 A/W)。这些关于MoS2/WS2及石墨烯/WS2异质结的新奇卓越的场效应和光探测性能表明其在未来的纳米电子器件、光电器件和光伏电池等领域中具有巨大的应用价值。　　5.我们还研究了其它二维半导体P-N异质结，如WSe2/MoS2和WSe2/WS2 P-N异质结，在场效应和光探测领域中的应用。发现，WSe2/MoS2 P-N异质结表现出了明显的整流效应，其内在机制为隧道协助的多数载流子层间复合作用。同时，它还表现出了双极行为和反-双极性行为。WSe2/WS2 P-N异质结晶体管也表现出了明显的整流效应和双极性行为，整流开关比为100，场效应开关比为103。而且，它还表现出了具有较大记忆窗口的迟滞现象。有意思的是，异质结能够在外加偏压的调制下而发生极性行为的转化，从N型或P型到双极型或反-双极型。这是因为异质结中的结效应、P沟道WSe2和N沟道WS2依次交替的控制着整个系统的电输运性质。同时，异质结还展现出了良好的光伏特性和大大提高的光开关特性。