二维材料属于纳米材料的一个分支,其厚度在100纳米以下。近年来被广泛研究的一些二维材料,其厚度为原子级尺度。有的甚至不足1纳米,例如单层石墨烯。由于量子限制效应,二维材料具有很多独特的性质,在电子学器件、导电薄膜、传感器、储能、催化等领域具有很大的潜在应用价值。从化学成分的角度,可以把二维材料划分为以石墨烯为代表的一元二维材料,以二硫化钼为代表的过渡金属硫族化合物二维材料,金属碳化物或碳氮化物二维材料,氧化物二维材料等类别。化学气相沉积法是大规模制备二维材料的一种有效的手段。本论文从碳源、基底、结构等角度对石墨烯的化学气相沉积法制备进行了系统研究,并研究了其生长机理和电学性能。此外,本论文还研究了二维二氧化钼的化学气相沉积法制备,并研究了其形状形成机理和电学性能。本论文的具体工作内容如下。(1)采用化学气相沉积法,在二氧化硅/硅基底上生长出二维的二氧化钼单晶。利用拉曼光谱可以确定制备过程所得产物化学成分为二氧化钼,利用高分辨透射电子显微镜可以确定其晶面并确认其单晶属性。其厚度最低达到3.8纳米,横向尺寸从几百纳米到数微米。二维二氧化钼单晶的形状有三种,标准的平行四边形,缺角的平行四边形以及六边形。该研究提出了三种形状形成的机制,指出沿着两个不同的方向生长速度的差异是影响到二维二氧化钼单晶最终形状的关键因素。理论计算表明,二维二氧化钼具有金属性。实验测得二维二氧化钼单晶的电导率为5×103S/cm,,表明其具有优良的导电性能,有望在导电薄膜领域得到应用。(2)以液态乙二醇为碳源,采用化学气相沉积法,在二氧化硅/硅基底上直接生长出少层石墨烯薄膜。利用绝热块构造赝双温区,同步控制石墨烯生长温度和碳源温度。原子力显微镜测试表明,所得石墨烯薄膜厚度最薄可以达到2纳米。二氧化硅层的朝向会显著影响到石墨烯的厚度,同样的生长条件下,二氧化硅层朝下放置时所得石墨烯明显比二氧化硅层朝上放置所得石墨烯薄。当温度高于最佳值时,所得石墨烯薄膜会随温度的升高而变厚;当温度低于最佳值时,所得石墨烯薄膜也会随温度的降低而变厚。当温度低于特定值时,石墨烯无法生长。将所得石墨烯薄膜作为背栅场效应晶体管的沟道材料,测得石墨烯的载流子迁移率为707 cm2 V-1S-1,该结果明显优于很多同类的工作。该研究提供了一种新的制备石墨烯的方法,所制备的少层石墨烯薄膜有望在电子器件、导电薄膜等领域得到应用。(3)以甲烷为碳源,采用化学气相沉积法,在硅基底上直接生长出大面积均匀的双层石墨烯薄膜。拉曼光谱表明,所得双层石墨烯为AB堆积型。拉曼Mapping表明所得石墨烯薄膜是大面积均匀的双层石墨烯,双层的占比超过95%。生长温度和氢气流量都会显著影响到石墨烯的厚度。X射线光电子能谱测试表明硅基底的表面有一定程度的氧化,存在一个薄的氧化层。该氧化层对于双层石墨烯的生长具有关键的作用。采用热释放胶带,将双层石墨烯转移到二氧化硅/硅基底上,制作背栅场效应晶体管,测得石墨烯的载流子迁移率为343.3 cm2 V1S-1。所制备的双层石墨烯薄膜有望在电子器件、导电薄膜等领域得到应用。(4)以甲烷为碳源,采用化学气相沉积法,在MgO(100)基底上直接生长出大面积均匀的双层石墨烯薄膜,制备过程没有使用任何金属催化剂。拉曼光谱以及原子力显微镜测试证明,所得双层石墨烯为AB堆积型。拉曼Mapping表明所得石墨烯薄膜是大面积均匀的双层石墨烯,双层的占比超过95%。生长温度对石墨烯的生长质量有显著影响。当温度超过最佳温度上升或低于最佳温度下降时,石墨烯的厚度都会随之增加。氢气/甲烷流量比也会显著影响到石墨烯的生长质量,包括石墨烯的厚度、石墨烯颗粒的尺寸。采用热释放胶带,将双层石墨烯转移到二氧化硅/硅基底上,制作背栅场效应晶体管,测得石墨烯的载流子迁移率为130 cm2 V-1S-1。所制备的双层石墨烯薄膜有望在电子器件,导电薄膜等领域得到应用。(5)以甲烷为碳源,采用化学气相沉积法,在MgO粉末上大规模制备出石墨烯。采用盐酸将MgO粉末溶解,得到二维石墨烯片组装成的三维石墨烯。高分辨透射电子显微镜表征表明,构成三维石墨烯的二维石墨烯片层的层数在2到7层,大部分的层数分布在3到5层。这种三维石墨烯中具有大量的通道,有利于离子的扩散。高温下甲烷分解形成烃类分子,在MgO颗粒表面包覆形成石墨烯膜。将MgO粉末溶解的过程中,MgO颗粒所占据的空间得到一定程度保留,从而使得石墨烯形成三维形态。将制备的三维石墨烯作为量子点敏化太阳能电池的对电极,在同样的条件下电池的性能表现优于CuS作为对电极。该方法制备三维石墨烯比较简单,成本低,得到的三维石墨烯有望在量子点敏化太阳能电池以及储能领域得到应用。