二維半導(dǎo)體材料：制備工藝與非線性光學(xué)性能的深度剖析

二維半導(dǎo)體材料：制備工藝與非線性光學(xué)性能的深度剖析一、引言1.1研究背景與意義在半導(dǎo)體領(lǐng)域的漫長(zhǎng)發(fā)展歷程中，二維半導(dǎo)體材料已成為備受矚目的關(guān)鍵研究對(duì)象。隨著半導(dǎo)體工藝制程逐步逼近亞納米物理極限，傳統(tǒng)硅基集成電路面臨著難以逾越的瓶頸，依靠縮小晶體管面內(nèi)尺寸來(lái)延續(xù)摩爾定律愈發(fā)艱難。在這樣的背景下，二維半導(dǎo)體材料憑借其獨(dú)特的原子級(jí)厚度、卓越的電學(xué)和光學(xué)性質(zhì)，為半導(dǎo)體技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步帶來(lái)了新的希望。二維半導(dǎo)體材料作為一種新型的低維材料，在結(jié)構(gòu)上呈現(xiàn)出獨(dú)特的二維平面形態(tài)，原子間通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵或離子鍵相互連接，形成穩(wěn)定的二維晶格結(jié)構(gòu)，而層間則依靠較弱的范德華力相互作用。這種特殊的結(jié)構(gòu)賦予了二維半導(dǎo)體材料一系列區(qū)別于傳統(tǒng)三維材料的優(yōu)異特性。其原子級(jí)的厚度使材料具有極高的比表面積，為電子提供了更廣闊的運(yùn)動(dòng)空間，極大地提升了電子遷移率。如過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）中的二硫化鉬（MoS?），其單層結(jié)構(gòu)下的電子遷移率可達(dá)到100-200cm2/V?s，展現(xiàn)出良好的電學(xué)性能。在光學(xué)方面，二維半導(dǎo)體材料具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，許多二維半導(dǎo)體材料在單層狀態(tài)下呈現(xiàn)出直接帶隙，這使得它們?cè)诠獍l(fā)射和光探測(cè)等光電器件應(yīng)用中具有巨大的潛力，如單層硫化鎢（WS?）的直接帶隙約為2.0-2.5eV，能夠高效地實(shí)現(xiàn)光與物質(zhì)的相互作用。在當(dāng)前“后摩爾定律”時(shí)代，二維半導(dǎo)體材料在先進(jìn)半導(dǎo)體的發(fā)展中占據(jù)著舉足輕重的地位。國(guó)際半導(dǎo)體聯(lián)盟在“2015國(guó)際半導(dǎo)體技術(shù)路線圖”（ITRS）中明確指出，在眾多的解決方案中，使用二維材料是非常有前途的。二維半導(dǎo)體材料在半導(dǎo)體器件小型化及柔性化的主流趨勢(shì)下，具有巨大的應(yīng)用潛力。在晶體管領(lǐng)域，以MoS?為代表的二維半導(dǎo)體被認(rèn)為是有望取代硅成為延續(xù)摩爾定律的新溝道材料。國(guó)際器件與系統(tǒng)路線圖（IRDS）預(yù)測(cè)，在2nm技術(shù)節(jié)點(diǎn)以下，二維半導(dǎo)體將發(fā)揮關(guān)鍵作用。臺(tái)積電（TSMC）、英特爾（Intel）、比利時(shí)微電子研究中心（IMEC）等國(guó)際巨頭紛紛積極布局高性能單層二硫化鉬晶體管的研發(fā)，展現(xiàn)出二維半導(dǎo)體在半導(dǎo)體未來(lái)發(fā)展中的重要戰(zhàn)略地位。非線性光學(xué)作為現(xiàn)代光學(xué)研究的重要分支，在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著關(guān)鍵作用。非線性光學(xué)效應(yīng)指的是在強(qiáng)光作用下，物質(zhì)的光學(xué)響應(yīng)與入射光強(qiáng)呈現(xiàn)非線性關(guān)系的現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的激光技術(shù)中，通過(guò)非線性光學(xué)頻率轉(zhuǎn)換過(guò)程，如二次諧波產(chǎn)生、三次諧波產(chǎn)生等，可以拓展激光的波長(zhǎng)范圍，滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)特定波長(zhǎng)激光的需求。在光學(xué)傳感和探測(cè)領(lǐng)域，非線性光學(xué)效應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度的探測(cè)，利用和頻與差頻等非線性過(guò)程，可以對(duì)物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)和成分進(jìn)行精確分析。在新興的量子信息技術(shù)中，非線性光學(xué)過(guò)程對(duì)于量子態(tài)的制備、操控和測(cè)量至關(guān)重要，為量子計(jì)算和量子通信等技術(shù)的發(fā)展提供了基礎(chǔ)支持。在微納光子學(xué)領(lǐng)域，非線性光學(xué)材料與微納結(jié)構(gòu)的結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)光信號(hào)的高效調(diào)控和處理，為構(gòu)建小型化、高性能的光電器件提供了可能。二維半導(dǎo)體材料由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，在非線性光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出諸多優(yōu)勢(shì)。二維半導(dǎo)體材料的原子級(jí)厚度使其具有較大的非線性光學(xué)系數(shù)，能夠在相對(duì)較低的光強(qiáng)下產(chǎn)生明顯的非線性光學(xué)效應(yīng)。二維材料易于進(jìn)行微納尺度加工，便于與光電子器件集成，為實(shí)現(xiàn)集成光子學(xué)和量子計(jì)算等新興領(lǐng)域的應(yīng)用提供了便利條件。如石墨烯，作為一種典型的二維材料，具有超快載流子特性、波長(zhǎng)無(wú)依賴(lài)的線性吸收和高載流子遷移率，在非線性光學(xué)領(lǐng)域表現(xiàn)出超寬帶可飽和吸收和強(qiáng)度依賴(lài)的非線性光學(xué)吸收特性。然而，零帶隙的石墨烯也存在一些局限性，如較低的非線性光學(xué)吸收系數(shù)和損傷閾值，這在一定程度上限制了其在某些光電器件中的應(yīng)用。相比之下，過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）等二維半導(dǎo)體材料在光電特性方面與石墨烯互補(bǔ)，具有強(qiáng)的光和物質(zhì)相互作用、可調(diào)帶隙和強(qiáng)光子吸收等特點(diǎn)。以MoS?為例，其在非線性光學(xué)應(yīng)用中具有較高的光吸收效率，即使在單層中也能實(shí)現(xiàn)從可見(jiàn)光到近紅外的寬波段光學(xué)吸收，但其調(diào)制深度和飽和強(qiáng)度等非線性參數(shù)仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。對(duì)二維半導(dǎo)體材料非線性光學(xué)性能的研究具有重要的科學(xué)意義和實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。從科學(xué)研究的角度來(lái)看，深入探索二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能，有助于揭示光與物質(zhì)相互作用的微觀機(jī)制，為理解低維材料中的量子光學(xué)現(xiàn)象提供理論基礎(chǔ)。通過(guò)研究二維半導(dǎo)體材料在非線性光學(xué)過(guò)程中的電子態(tài)變化、載流子動(dòng)力學(xué)等物理過(guò)程，可以豐富和拓展凝聚態(tài)物理和光學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)體系。在實(shí)際應(yīng)用方面，二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能研究為新型光電子器件的研發(fā)提供了關(guān)鍵技術(shù)支持?；诙S半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)特性，可以開(kāi)發(fā)出高性能的光開(kāi)關(guān)、光調(diào)制器、光探測(cè)器等光電器件，這些器件在光通信、光計(jì)算、激光雷達(dá)等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。在光通信領(lǐng)域，高速、低功耗的光開(kāi)關(guān)和光調(diào)制器是實(shí)現(xiàn)高速數(shù)據(jù)傳輸和處理的關(guān)鍵器件，二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能有望為這些器件的性能提升提供新的解決方案。在光計(jì)算領(lǐng)域，利用二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)特性構(gòu)建全光邏輯器件，能夠?qū)崿F(xiàn)更快的計(jì)算速度和更低的能耗，為未來(lái)的高性能計(jì)算發(fā)展開(kāi)辟新的道路。1.2國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1二維半導(dǎo)體材料制備的研究現(xiàn)狀在二維半導(dǎo)體材料制備領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者取得了豐碩的成果。機(jī)械剝離法作為最早用于制備二維材料的方法之一，能夠制備出高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料，如2004年英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的AndreGeim和KonstantinNovoselov通過(guò)機(jī)械剝離法成功制備出石墨烯，開(kāi)啟了二維材料研究的新篇章。這種方法簡(jiǎn)單易行，能夠保持材料的原子結(jié)構(gòu)完整性，但存在制備效率低、產(chǎn)量小的問(wèn)題，難以滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求?；瘜W(xué)氣相沉積（CVD）法是目前應(yīng)用最為廣泛的二維半導(dǎo)體材料制備方法之一。該方法通過(guò)氣態(tài)的原子或分子在高溫和催化劑的作用下分解，然后在基底表面沉積并反應(yīng)生成二維材料。清華大學(xué)深圳國(guó)際研究生院劉碧錄教授團(tuán)隊(duì)發(fā)展了一種采用“熔化-重凝”的硫單質(zhì)前驅(qū)體的化學(xué)氣相沉積方法，通過(guò)提高硫族元素（硫，硒）供應(yīng)的穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)了高質(zhì)量和高均勻性的過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDCs）的生長(zhǎng)。CVD法能夠精確控制材料的生長(zhǎng)層數(shù)、面積和質(zhì)量，適合大規(guī)模制備高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料，但制備過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，且生長(zhǎng)過(guò)程較為復(fù)雜，成本較高。液相剝離法是一種新興的制備方法，通過(guò)將材料在特定溶劑中進(jìn)行剝離，能夠制備出高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料。該方法具有操作簡(jiǎn)單、成本低、可大規(guī)模制備等優(yōu)點(diǎn)，但制備出的材料可能存在缺陷和雜質(zhì)，需要進(jìn)一步優(yōu)化。電化學(xué)剝離法也是一種新興的制備方法，通過(guò)在特定電解液中對(duì)材料進(jìn)行電化學(xué)處理，然后將材料從其基底上剝離。這種方法可以制備出高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料，且具有可控性好等優(yōu)點(diǎn)，但目前該方法還處于研究階段，需要進(jìn)一步完善。在二維半導(dǎo)體材料制備的研究中，國(guó)內(nèi)外的研究重點(diǎn)主要集中在提高材料的質(zhì)量和制備效率，以及探索新的制備方法和工藝。中國(guó)在二維半導(dǎo)體材料制備方面取得了顯著進(jìn)展，如南京大學(xué)王欣然團(tuán)隊(duì)和北京大學(xué)劉開(kāi)輝團(tuán)隊(duì)成功實(shí)現(xiàn)晶圓級(jí)二維材料單晶的生長(zhǎng)制備，為二維材料的研究與應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)的材料基礎(chǔ)。國(guó)際上，美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)也在不斷探索新的制備技術(shù)和工藝，推動(dòng)二維半導(dǎo)體材料制備技術(shù)的發(fā)展。1.2.2二維半導(dǎo)體材料非線性光學(xué)性能研究現(xiàn)狀在二維半導(dǎo)體材料非線性光學(xué)性能研究方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者也進(jìn)行了大量的工作。石墨烯作為最早被研究的二維材料之一，在非線性光學(xué)領(lǐng)域展現(xiàn)出獨(dú)特的性能。其具有超快載流子特性、波長(zhǎng)無(wú)依賴(lài)的線性吸收和高載流子遷移率，表現(xiàn)出超寬帶可飽和吸收和強(qiáng)度依賴(lài)的非線性光學(xué)吸收特性。但零帶隙的石墨烯也存在一些局限性，如較低的非線性光學(xué)吸收系數(shù)和損傷閾值，限制了其在某些光電器件中的應(yīng)用。過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs）作為另一類(lèi)重要的二維半導(dǎo)體材料，在非線性光學(xué)性能研究方面也取得了重要進(jìn)展。以MoS?為代表的TMDs材料具有強(qiáng)的光和物質(zhì)相互作用、可調(diào)帶隙和強(qiáng)光子吸收等特點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，MoS?在非線性光學(xué)應(yīng)用中具有較高的光吸收效率，即使在單層中也能實(shí)現(xiàn)從可見(jiàn)光到近紅外的寬波段光學(xué)吸收，但其調(diào)制深度和飽和強(qiáng)度等非線性參數(shù)仍有待進(jìn)一步優(yōu)化。中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所王俊研究員團(tuán)隊(duì)系統(tǒng)研究了PtS、InSe等納米片薄膜在可見(jiàn)光、近紅外光激發(fā)下的非線性光學(xué)及寬譜超快載流子動(dòng)力學(xué)特性。電子科技大學(xué)熊杰教授和北京大學(xué)物理學(xué)院劉開(kāi)輝教授課題組合作創(chuàng)造性提出基于量子點(diǎn)的多光子激發(fā)共振能量轉(zhuǎn)移，實(shí)現(xiàn)了二維材料光學(xué)非線性信號(hào)的有效增強(qiáng)。北京大學(xué)物理學(xué)院王楠林課題組與劉開(kāi)輝課題組、王恩哥院士課題組等合作，首次在一類(lèi)新型范德瓦爾斯層狀材料——過(guò)渡金屬磷硫族化合物MPX?(M=過(guò)渡金屬元素，X=S、Se)中發(fā)現(xiàn)了巨大的高階非線性光學(xué)響應(yīng)，并揭示其在非線性光學(xué)領(lǐng)域的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用方面均具有重要價(jià)值。國(guó)際上，美國(guó)、日本、韓國(guó)等國(guó)家的科研團(tuán)隊(duì)也在積極開(kāi)展二維半導(dǎo)體材料非線性光學(xué)性能的研究。他們通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)研究相結(jié)合的方法，深入探究二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)機(jī)理，開(kāi)發(fā)新型的非線性光學(xué)器件。如美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)在二維材料的非線性光學(xué)研究中取得了重要成果，為二維材料在非線性光學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用提供了新的思路。1.2.3當(dāng)前研究的不足與空白盡管?chē)?guó)內(nèi)外在二維半導(dǎo)體材料制備和非線性光學(xué)性能研究方面取得了顯著進(jìn)展，但仍存在一些不足與空白。在制備方面，目前的制備方法雖然能夠制備出高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料，但在大規(guī)模、低成本制備方面仍面臨挑戰(zhàn)。例如，CVD法制備過(guò)程復(fù)雜，成本較高，難以實(shí)現(xiàn)大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)；液相剝離法制備出的材料存在缺陷和雜質(zhì)，需要進(jìn)一步優(yōu)化。在非線性光學(xué)性能研究方面，雖然已經(jīng)對(duì)一些二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能進(jìn)行了研究，但對(duì)于其微觀機(jī)制的理解還不夠深入，缺乏系統(tǒng)的理論模型來(lái)解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。不同二維半導(dǎo)體材料之間的非線性光學(xué)性能對(duì)比研究還不夠全面，難以根據(jù)具體應(yīng)用需求選擇最合適的材料。在二維半導(dǎo)體材料與其他材料的復(fù)合體系中，非線性光學(xué)性能的協(xié)同調(diào)控研究還處于起步階段，有待進(jìn)一步探索。1.3研究?jī)?nèi)容與方法1.3.1研究?jī)?nèi)容本研究聚焦于二維半導(dǎo)體材料的制備及其非線性光學(xué)性能，具體研究?jī)?nèi)容如下：二維半導(dǎo)體材料的制備：選擇過(guò)渡金屬二硫化物（TMDs）中的二硫化鉬（MoS?）、硫化鎢（WS?）以及黑磷（BP）等典型二維半導(dǎo)體材料作為研究對(duì)象。采用化學(xué)氣相沉積（CVD）法，通過(guò)精確控制生長(zhǎng)溫度、氣體流量、沉積時(shí)間等工藝參數(shù)，探索高質(zhì)量二維半導(dǎo)體材料的制備工藝。研究不同襯底材料對(duì)二維半導(dǎo)體材料生長(zhǎng)質(zhì)量和性能的影響，選用藍(lán)寶石、二氧化硅等常見(jiàn)襯底，分析襯底與二維半導(dǎo)體材料之間的晶格匹配度、界面相互作用等因素對(duì)材料生長(zhǎng)的影響機(jī)制，以?xún)?yōu)化襯底選擇，提高材料生長(zhǎng)質(zhì)量。二維半導(dǎo)體材料的結(jié)構(gòu)與性能表征：運(yùn)用原子力顯微鏡（AFM）、掃描電子顯微鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）等微觀結(jié)構(gòu)表征手段，對(duì)制備的二維半導(dǎo)體材料的層數(shù)、表面形貌、晶體結(jié)構(gòu)等進(jìn)行詳細(xì)分析，確定材料的微觀結(jié)構(gòu)特征。利用拉曼光譜、光致發(fā)光光譜（PL）、X射線光電子能譜（XPS）等光譜分析方法，研究二維半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)、缺陷狀態(tài)等，深入了解材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)。二維半導(dǎo)體材料非線性光學(xué)性能研究：搭建基于飛秒激光的Z-掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，研究二維半導(dǎo)體材料在飛秒激光脈沖作用下的非線性吸收和非線性折射特性，測(cè)量材料的非線性吸收系數(shù)、非線性折射率等關(guān)鍵非線性光學(xué)參數(shù)，分析材料的非線性光學(xué)響應(yīng)機(jī)制。通過(guò)改變激光波長(zhǎng)、脈沖寬度、光強(qiáng)等實(shí)驗(yàn)條件，探究二維半導(dǎo)體材料非線性光學(xué)性能的變化規(guī)律，為其在不同光電器件中的應(yīng)用提供理論依據(jù)。研究二維半導(dǎo)體材料與其他材料復(fù)合形成的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的非線性光學(xué)性能，如將二維半導(dǎo)體材料與量子點(diǎn)、金屬納米顆粒等復(fù)合，分析復(fù)合結(jié)構(gòu)中各組分之間的協(xié)同作用對(duì)非線性光學(xué)性能的影響，探索提高材料非線性光學(xué)性能的新途徑?；诙S半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)器件應(yīng)用探索：基于二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能，設(shè)計(jì)并制備光開(kāi)關(guān)、光調(diào)制器、光探測(cè)器等非線性光學(xué)器件原型。對(duì)制備的非線性光學(xué)器件進(jìn)行性能測(cè)試和優(yōu)化，研究器件的響應(yīng)速度、調(diào)制深度、探測(cè)靈敏度等性能指標(biāo)，分析器件性能與二維半導(dǎo)體材料特性之間的關(guān)系，為器件的實(shí)際應(yīng)用提供技術(shù)支持。1.3.2研究方法本研究綜合運(yùn)用實(shí)驗(yàn)研究和理論分析相結(jié)合的方法，深入探究二維半導(dǎo)體材料的制備及其非線性光學(xué)性能，具體研究方法如下：實(shí)驗(yàn)研究方法：在二維半導(dǎo)體材料制備實(shí)驗(yàn)中，采用化學(xué)氣相沉積（CVD）設(shè)備，精確控制反應(yīng)氣體的流量、溫度和壓力等參數(shù)，通過(guò)改變生長(zhǎng)條件，制備不同質(zhì)量和性能的二維半導(dǎo)體材料。利用原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量二維半導(dǎo)體材料的厚度和表面粗糙度，通過(guò)掃描電子顯微鏡（SEM）和透射電子顯微鏡（TEM）觀察材料的微觀形貌和晶體結(jié)構(gòu)，運(yùn)用拉曼光譜儀和光致發(fā)光光譜儀（PL）分析材料的晶體質(zhì)量和光學(xué)性質(zhì)，使用X射線光電子能譜儀（XPS）研究材料的元素組成和化學(xué)狀態(tài)。搭建基于飛秒激光的Z-掃描實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，將制備的二維半導(dǎo)體材料置于激光光路中，通過(guò)測(cè)量不同光強(qiáng)下材料的透過(guò)率變化，獲取材料的非線性吸收和非線性折射特性。利用鎖相放大器、示波器等設(shè)備對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和分析，確保實(shí)驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。在非線性光學(xué)器件制備實(shí)驗(yàn)中，采用微納加工技術(shù)，如光刻、電子束刻蝕等，將二維半導(dǎo)體材料與其他材料集成，制備光開(kāi)關(guān)、光調(diào)制器、光探測(cè)器等器件原型。使用光通信測(cè)試系統(tǒng)、高速示波器等設(shè)備對(duì)器件的性能進(jìn)行測(cè)試和分析，評(píng)估器件的性能指標(biāo)。理論分析方法：運(yùn)用密度泛函理論（DFT）計(jì)算二維半導(dǎo)體材料的電子結(jié)構(gòu)、能帶結(jié)構(gòu)和態(tài)密度等，從理論上分析材料的光學(xué)和電學(xué)性質(zhì)，為實(shí)驗(yàn)研究提供理論指導(dǎo)。通過(guò)建立二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)模型，如雙光子吸收模型、激發(fā)態(tài)吸收模型等，結(jié)合量子力學(xué)和光學(xué)原理，對(duì)材料的非線性光學(xué)響應(yīng)機(jī)制進(jìn)行理論分析，解釋實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，預(yù)測(cè)材料的非線性光學(xué)性能。利用有限元方法（FEM）對(duì)基于二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)器件進(jìn)行數(shù)值模擬，分析器件的電場(chǎng)分布、光場(chǎng)分布和傳輸特性等，優(yōu)化器件結(jié)構(gòu)和參數(shù)，提高器件性能。二、二維半導(dǎo)體材料概述2.1定義與分類(lèi)二維半導(dǎo)體材料是指在三維空間中，厚度僅為幾個(gè)原子層的半導(dǎo)體材料，其原子在平面內(nèi)呈周期性排列，通常厚度在原子尺度量級(jí)，一般為單層或少數(shù)幾層。這種獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)賦予了二維半導(dǎo)體材料一系列區(qū)別于傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料的物理和化學(xué)性質(zhì)。從原子結(jié)構(gòu)角度來(lái)看，二維半導(dǎo)體材料中的原子通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵或離子鍵在二維平面內(nèi)相互連接，形成穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)，而層間則依靠較弱的范德華力相互作用。這種層狀結(jié)構(gòu)使得二維半導(dǎo)體材料在保持自身穩(wěn)定性的同時(shí)，展現(xiàn)出了一些特殊的性質(zhì)。由于原子間的強(qiáng)相互作用，二維半導(dǎo)體材料具有較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性；而層間的弱范德華力則使得材料在某些情況下易于進(jìn)行層間的相互作用和調(diào)控，為材料的性能優(yōu)化提供了可能。從電子特性角度分析，二維半導(dǎo)體材料的電子在二維平面內(nèi)具有較高的遷移率。這是因?yàn)樵诙S結(jié)構(gòu)中，電子受到的晶格散射作用相對(duì)較弱，電子在平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)更加自由。與傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料相比，二維半導(dǎo)體材料的電子遷移率可得到顯著提高，這對(duì)于提高半導(dǎo)體器件的性能具有重要意義。在晶體管應(yīng)用中，高電子遷移率能夠使器件實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度和更低的功耗，從而提升集成電路的運(yùn)行效率。二維半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)也具有獨(dú)特之處。許多二維半導(dǎo)體材料在單層狀態(tài)下呈現(xiàn)出直接帶隙，這與傳統(tǒng)三維半導(dǎo)體材料的間接帶隙有所不同。直接帶隙特性使得二維半導(dǎo)體材料在光發(fā)射和光探測(cè)等光電器件應(yīng)用中具有更高的效率，能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的光電轉(zhuǎn)換。二維半導(dǎo)體材料種類(lèi)豐富，根據(jù)其化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)，常見(jiàn)的可分為過(guò)渡金屬二硫族化合物、黑磷、碳基二維半導(dǎo)體材料等類(lèi)別。過(guò)渡金屬二硫族化合物（TMDs）是由過(guò)渡金屬（如鉬（Mo）、鎢（W）等）與硫族元素（如硫（S）、硒（Se）、碲（Te）等）組成的化合物。這類(lèi)材料具有豐富的物理性質(zhì)和潛在應(yīng)用價(jià)值，是目前研究最為廣泛的二維半導(dǎo)體材料之一。二硫化鉬（MoS?）是TMDs中的典型代表，其晶體結(jié)構(gòu)由一層鉬原子夾在兩層硫原子之間，通過(guò)共價(jià)鍵形成穩(wěn)定的二維結(jié)構(gòu)，層間則通過(guò)范德華力相互作用。在單層MoS?中，其能帶結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出直接帶隙，帶隙值約為1.8eV，這使得它在光電器件如光電探測(cè)器、發(fā)光二極管等方面具有優(yōu)異的性能表現(xiàn)。研究表明，基于單層MoS?的光電探測(cè)器在可見(jiàn)光波段具有較高的響應(yīng)率和探測(cè)靈敏度，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的有效探測(cè)。MoS?還具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械性能，在柔性光電器件的應(yīng)用中也展現(xiàn)出了巨大的潛力。黑磷（BP）是一種具有褶皺蜂窩狀結(jié)構(gòu)的二維材料，其獨(dú)特的原子排列方式賦予了它較高的電子遷移率和直接帶隙。在黑磷的晶體結(jié)構(gòu)中，磷原子通過(guò)共價(jià)鍵相互連接形成類(lèi)似于蜂窩狀的平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于原子間的相互作用，平面發(fā)生一定程度的褶皺，這種褶皺結(jié)構(gòu)對(duì)黑磷的電子特性產(chǎn)生了重要影響。黑磷的電子遷移率可達(dá)到1000cm2/V?s左右，與傳統(tǒng)硅材料相當(dāng)，這使得它在高速電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景。在晶體管制造中，黑磷有望作為高性能的溝道材料，提高晶體管的運(yùn)行速度和降低功耗。黑磷的直接帶隙特性使其在光電器件中也具有應(yīng)用價(jià)值，例如在光探測(cè)器和發(fā)光二極管等器件中，黑磷能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換。碳基二維半導(dǎo)體材料如C?N?，具有類(lèi)石墨烯蜂窩狀無(wú)孔有序結(jié)構(gòu)。C?N?不僅具有與碳納米管和石墨烯相媲美的電學(xué)、光學(xué)、熱學(xué)和力學(xué)性能，還具有與硅材料接近的半導(dǎo)體帶隙，通過(guò)控制其雙層結(jié)構(gòu)的堆垛方式，可實(shí)現(xiàn)大范圍的能帶寬度調(diào)控。在C?N?的晶體結(jié)構(gòu)中，碳原子和氮原子通過(guò)共價(jià)鍵相互連接形成穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使得C?N?具有較高的穩(wěn)定性和獨(dú)特的物理性質(zhì)。通過(guò)對(duì)C?N?雙層結(jié)構(gòu)堆垛方式的調(diào)控，可以改變材料的電子云分布和能帶結(jié)構(gòu)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)能帶寬度的有效調(diào)控。這種能帶調(diào)控特性使得C?N?在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有很大的靈活性，能夠滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料能帶結(jié)構(gòu)的需求。在光電器件中，通過(guò)調(diào)控C?N?的能帶結(jié)構(gòu)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光吸收和發(fā)射波長(zhǎng)的精確控制，提高器件的性能。2.2基本特性2.2.1原子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)典型二維半導(dǎo)體材料如二硫化鉬（MoS?）、硫化鎢（WS?）和黑磷（BP），它們各自擁有獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)特性深刻影響著材料的性能。MoS?的晶體結(jié)構(gòu)屬于六方晶系，其原子排列方式為每?jī)蓪恿蛟又虚g夾著一層鉬原子，形成類(lèi)似于三明治的結(jié)構(gòu)。在這種結(jié)構(gòu)中，鉬原子與硫原子之間通過(guò)共價(jià)鍵相互連接，形成穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)，而層與層之間則依靠較弱的范德華力相互作用。這種原子間的強(qiáng)共價(jià)鍵賦予了MoS?較高的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，使其在各種環(huán)境下能夠保持自身的結(jié)構(gòu)完整性。在一些高溫、高壓等極端條件下，MoS?仍然能夠保持其晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不會(huì)發(fā)生明顯的結(jié)構(gòu)變化。而層間的弱范德華力則使得MoS?在某些情況下易于進(jìn)行層間的相互作用和調(diào)控。通過(guò)施加外部壓力或電場(chǎng)等手段，可以改變層間的距離和相互作用強(qiáng)度，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)材料電學(xué)、光學(xué)等性能的調(diào)控。研究表明，當(dāng)對(duì)MoS?施加一定的外部壓力時(shí)，其層間距離會(huì)發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致材料的能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，電學(xué)性能也隨之發(fā)生變化。這種結(jié)構(gòu)對(duì)MoS?的性能產(chǎn)生了多方面的影響。在電學(xué)性能方面，由于電子在二維平面內(nèi)的運(yùn)動(dòng)受到的束縛較小，MoS?具有較高的電子遷移率。在單層MoS?中，電子遷移率可達(dá)到100-200cm2/V?s，這使得它在電子器件應(yīng)用中具有很大的潛力。在晶體管中，高電子遷移率能夠使器件實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度，從而提高集成電路的運(yùn)行效率。MoS?的原子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)也決定了其光學(xué)性能。由于其獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，MoS?在可見(jiàn)光和近紅外光波段具有較強(qiáng)的光吸收能力，這使得它在光電器件如光電探測(cè)器、發(fā)光二極管等方面具有優(yōu)異的性能表現(xiàn)?；贛oS?的光電探測(cè)器能夠有效地探測(cè)到微弱的光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)。WS?的晶體結(jié)構(gòu)同樣為六方晶系，其原子排列方式與MoS?類(lèi)似，也是由兩層硫原子中間夾著一層鎢原子組成。在這種結(jié)構(gòu)中，鎢原子與硫原子之間通過(guò)共價(jià)鍵相互連接，形成穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)，層間通過(guò)范德華力相互作用。這種結(jié)構(gòu)使得WS?具有較高的穩(wěn)定性和獨(dú)特的物理性質(zhì)。由于鎢原子的電子結(jié)構(gòu)與鉬原子有所不同，WS?的能帶結(jié)構(gòu)和電子特性也與MoS?存在一定差異。WS?的帶隙值約為2.0-2.5eV，略大于MoS?的帶隙值。這種結(jié)構(gòu)差異導(dǎo)致WS?在性能上與MoS?既有相似之處，又有不同特點(diǎn)。在電學(xué)性能方面，WS?同樣具有較高的電子遷移率，但其具體數(shù)值與MoS?有所不同。在一些研究中發(fā)現(xiàn)，WS?的電子遷移率在一定條件下可以達(dá)到與MoS?相當(dāng)?shù)乃?，這使得它在電子器件應(yīng)用中也具有一定的潛力。在光學(xué)性能方面，由于其較大的帶隙，WS?在光發(fā)射和光探測(cè)等方面表現(xiàn)出與MoS?不同的特性。WS?在藍(lán)光和綠光波段具有較強(qiáng)的光發(fā)射能力，這使得它在發(fā)光二極管等光電器件中具有獨(dú)特的應(yīng)用價(jià)值。基于WS?的發(fā)光二極管能夠發(fā)出高質(zhì)量的藍(lán)光和綠光，可用于顯示技術(shù)和照明領(lǐng)域。黑磷的晶體結(jié)構(gòu)呈現(xiàn)出獨(dú)特的褶皺蜂窩狀。在黑磷的晶體結(jié)構(gòu)中，磷原子通過(guò)共價(jià)鍵相互連接形成類(lèi)似于蜂窩狀的平面結(jié)構(gòu)，同時(shí)由于原子間的相互作用，平面發(fā)生一定程度的褶皺。這種褶皺結(jié)構(gòu)對(duì)黑磷的性能產(chǎn)生了重要影響。從電學(xué)性能來(lái)看，黑磷的褶皺結(jié)構(gòu)使其具有較高的電子遷移率，可達(dá)到1000cm2/V?s左右，與傳統(tǒng)硅材料相當(dāng)。這使得黑磷在高速電子器件領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用前景，有望作為高性能的溝道材料，提高晶體管的運(yùn)行速度和降低功耗。在光學(xué)性能方面，黑磷的直接帶隙特性使其在光電器件中具有應(yīng)用價(jià)值。黑磷能夠?qū)崿F(xiàn)高效的光電轉(zhuǎn)換，在光探測(cè)器和發(fā)光二極管等器件中表現(xiàn)出良好的性能。在光探測(cè)器中，黑磷能夠快速響應(yīng)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的高靈敏度探測(cè)；在發(fā)光二極管中，黑磷能夠發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，可用于光通信和顯示技術(shù)等領(lǐng)域。2.2.2電學(xué)特性二維半導(dǎo)體材料的電學(xué)特性主要包括能帶結(jié)構(gòu)和載流子遷移率等方面，這些特性與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料存在顯著差異。在能帶結(jié)構(gòu)方面，許多二維半導(dǎo)體材料展現(xiàn)出獨(dú)特的性質(zhì)。以MoS?為例，在塊體狀態(tài)下，它是間接帶隙半導(dǎo)體，帶隙值約為1.2eV。然而，當(dāng)MoS?被剝離至單層時(shí)，其能帶結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，轉(zhuǎn)變?yōu)橹苯訋栋雽?dǎo)體，帶隙值增大到約1.8eV。這種從間接帶隙到直接帶隙的轉(zhuǎn)變，使得MoS?在光電器件應(yīng)用中具有更高的效率。在光發(fā)射過(guò)程中，直接帶隙半導(dǎo)體能夠更直接地實(shí)現(xiàn)電子-空穴對(duì)的復(fù)合并發(fā)射光子，而間接帶隙半導(dǎo)體則需要聲子的參與，效率相對(duì)較低。在發(fā)光二極管的應(yīng)用中，單層MoS?能夠?qū)崿F(xiàn)更高效的光發(fā)射，發(fā)出更明亮的光。黑磷也具有獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，其帶隙是直接帶隙，且?guī)吨悼稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)通過(guò)層數(shù)的變化進(jìn)行調(diào)控。當(dāng)黑磷的層數(shù)從單層逐漸增加時(shí)，其帶隙值會(huì)逐漸減小。這種可調(diào)控的帶隙特性使得黑磷在半導(dǎo)體器件應(yīng)用中具有很大的靈活性，能夠滿(mǎn)足不同應(yīng)用場(chǎng)景對(duì)材料帶隙的需求。在電子器件中，通過(guò)調(diào)控黑磷的層數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)器件電學(xué)性能的精確控制，提高器件的性能和穩(wěn)定性。與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料如硅（Si）相比，二維半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)差異明顯。硅是間接帶隙半導(dǎo)體，其帶隙值約為1.1eV。在光電器件應(yīng)用中，由于間接帶隙的特性，硅的光發(fā)射效率較低，這限制了它在一些光電器件中的應(yīng)用。而二維半導(dǎo)體材料的直接帶隙特性，使其在光電器件應(yīng)用中具有更高的效率和更好的性能表現(xiàn)。在光電探測(cè)器中，二維半導(dǎo)體材料能夠更快速地響應(yīng)光信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的高靈敏度探測(cè)；在發(fā)光二極管中，二維半導(dǎo)體材料能夠發(fā)出更明亮、更純凈的光。載流子遷移率是衡量半導(dǎo)體材料電學(xué)性能的重要參數(shù)之一。二維半導(dǎo)體材料通常具有較高的載流子遷移率。黑磷的電子遷移率可達(dá)到1000cm2/V?s左右，與傳統(tǒng)硅材料相當(dāng)。MoS?在單層狀態(tài)下，其電子遷移率可達(dá)到100-200cm2/V?s。這種高載流子遷移率使得二維半導(dǎo)體材料在電子器件應(yīng)用中具有很大的優(yōu)勢(shì)。在晶體管中，高載流子遷移率能夠使器件實(shí)現(xiàn)更快的開(kāi)關(guān)速度，降低功耗，提高集成電路的運(yùn)行效率。在高速電子器件中，二維半導(dǎo)體材料的高載流子遷移率能夠滿(mǎn)足對(duì)器件高速運(yùn)行的需求，推動(dòng)電子器件向更高性能、更低功耗的方向發(fā)展。二維半導(dǎo)體材料的載流子遷移率還受到多種因素的影響。材料的晶體結(jié)構(gòu)、缺陷、雜質(zhì)以及外界環(huán)境等因素都會(huì)對(duì)載流子遷移率產(chǎn)生影響。晶體結(jié)構(gòu)中的缺陷和雜質(zhì)會(huì)散射載流子，降低載流子遷移率；而外界環(huán)境中的溫度、電場(chǎng)等因素也會(huì)改變載流子的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，從而影響載流子遷移率。在高溫環(huán)境下，載流子的熱運(yùn)動(dòng)加劇，散射幾率增加，導(dǎo)致載流子遷移率降低；而在施加適當(dāng)?shù)碾妶?chǎng)時(shí)，載流子的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)加快，載流子遷移率可能會(huì)提高。2.2.3光學(xué)特性二維半導(dǎo)體材料在光學(xué)特性方面展現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，主要體現(xiàn)在光吸收和光發(fā)射等方面，這些特性使其在光電器件中具有巨大的應(yīng)用潛力。在光吸收方面，二維半導(dǎo)體材料由于其原子級(jí)的厚度和獨(dú)特的能帶結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)出與傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料不同的光吸收特性。以MoS?為例，其單層結(jié)構(gòu)在可見(jiàn)光和近紅外光波段具有較強(qiáng)的光吸收能力。這是因?yàn)樵趩螌覯oS?中，電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，使得它能夠與特定波長(zhǎng)的光子發(fā)生強(qiáng)烈的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)高效的光吸收。研究表明，單層MoS?對(duì)光的吸收系數(shù)可達(dá)到10?cm?1量級(jí)，這一數(shù)值遠(yuǎn)高于許多傳統(tǒng)半導(dǎo)體材料。這種高光吸收能力使得MoS?在光電探測(cè)器等光電器件中具有重要的應(yīng)用價(jià)值。在光電探測(cè)器中，MoS?能夠有效地吸收光信號(hào)，將其轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光信號(hào)的高靈敏度探測(cè)。WS?同樣在光吸收方面表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。由于其能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，WS?在藍(lán)光和綠光波段具有較強(qiáng)的光吸收能力。在藍(lán)光和綠光波段，WS?的光吸收系數(shù)較高，能夠有效地吸收這些波長(zhǎng)的光。這種特性使得WS?在藍(lán)光和綠光探測(cè)器等光電器件中具有潛在的應(yīng)用前景。通過(guò)合理設(shè)計(jì)和制備基于WS?的光電器件，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)藍(lán)光和綠光信號(hào)的高效探測(cè)和處理。二維半導(dǎo)體材料的光吸收特性還與其層數(shù)密切相關(guān)。隨著層數(shù)的增加，二維半導(dǎo)體材料的光吸收能力會(huì)發(fā)生變化。對(duì)于MoS?來(lái)說(shuō)，隨著層數(shù)的增加，其光吸收系數(shù)會(huì)逐漸降低。這是因?yàn)閷訑?shù)的增加會(huì)導(dǎo)致材料內(nèi)部的電子相互作用增強(qiáng)，電子的能級(jí)結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，從而影響光吸收能力。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適層數(shù)的二維半導(dǎo)體材料，以獲得最佳的光吸收性能。在光發(fā)射方面，許多二維半導(dǎo)體材料在單層狀態(tài)下呈現(xiàn)出直接帶隙，這使得它們?cè)诠獍l(fā)射器件中具有較高的效率。以單層WS?為例，其直接帶隙約為2.0-2.5eV，能夠在藍(lán)光和綠光波段實(shí)現(xiàn)高效的光發(fā)射。在發(fā)光二極管的應(yīng)用中，單層WS?能夠?qū)㈦娔苤苯愚D(zhuǎn)化為光能，發(fā)出高質(zhì)量的藍(lán)光和綠光。通過(guò)對(duì)WS?發(fā)光二極管的結(jié)構(gòu)和工藝進(jìn)行優(yōu)化，可以進(jìn)一步提高其發(fā)光效率和穩(wěn)定性。研究人員通過(guò)在WS?發(fā)光二極管中引入量子點(diǎn)等結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)光發(fā)射的精確調(diào)控，提高了發(fā)光效率和色純度。二維半導(dǎo)體材料的光發(fā)射特性還可以通過(guò)外部電場(chǎng)、溫度等因素進(jìn)行調(diào)控。施加外部電場(chǎng)可以改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，從而影響光發(fā)射的波長(zhǎng)和強(qiáng)度。研究表明，在一定范圍內(nèi)，隨著外部電場(chǎng)的增加，二維半導(dǎo)體材料的光發(fā)射波長(zhǎng)會(huì)發(fā)生紅移，發(fā)光強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化。溫度對(duì)二維半導(dǎo)體材料的光發(fā)射特性也有顯著影響。在低溫環(huán)境下，材料的發(fā)光效率通常會(huì)提高，而在高溫環(huán)境下，發(fā)光效率會(huì)降低。這是因?yàn)闇囟鹊淖兓瘯?huì)影響材料內(nèi)部的電子躍遷過(guò)程和晶格振動(dòng)，從而影響光發(fā)射性能。二維半導(dǎo)體材料的光學(xué)特性使其在光電器件中具有廣泛的應(yīng)用前景。在光通信領(lǐng)域，基于二維半導(dǎo)體材料的光探測(cè)器和光發(fā)射器件能夠?qū)崿F(xiàn)高速、高效的光信號(hào)傳輸和處理，提高光通信系統(tǒng)的性能。在顯示技術(shù)領(lǐng)域，二維半導(dǎo)體材料的光發(fā)射特性使其有望應(yīng)用于下一代顯示器件，實(shí)現(xiàn)更高分辨率、更高亮度和更低功耗的顯示效果。在照明領(lǐng)域，二維半導(dǎo)體材料的高效光發(fā)射性能也為開(kāi)發(fā)新型節(jié)能照明器件提供了可能。三、二維半導(dǎo)體材料的制備方法3.1機(jī)械剝離法機(jī)械剝離法是一種較為簡(jiǎn)單且經(jīng)典的制備二維半導(dǎo)體材料的方法，其原理基于層狀材料層間較弱的范德華力。在自然界中，許多層狀晶體材料，如石墨、二硫化鉬（MoS?）等，其原子在層內(nèi)通過(guò)強(qiáng)共價(jià)鍵相互連接，形成穩(wěn)定的二維平面結(jié)構(gòu)，而層與層之間則依靠相對(duì)較弱的范德華力相互作用。這種弱相互作用使得層間的結(jié)合力相對(duì)較弱，為機(jī)械剝離提供了可能。在操作過(guò)程中，通常選用具有粘性的膠帶，如普通的透明膠帶，將其與目標(biāo)層狀晶體材料緊密接觸。當(dāng)膠帶與晶體材料接觸時(shí)，膠帶表面的分子與晶體材料表面的分子之間會(huì)產(chǎn)生分子間作用力。由于膠帶的粘性，在將膠帶從晶體材料上迅速剝離的過(guò)程中，這種分子間作用力會(huì)克服晶體材料層間的范德華力，從而使晶體材料的最外層原子層被膠帶粘附下來(lái)，形成二維半導(dǎo)體材料。在對(duì)石墨進(jìn)行機(jī)械剝離時(shí)，將膠帶反復(fù)粘貼在石墨晶體表面，然后迅速撕開(kāi)，隨著每次剝離，石墨的層數(shù)逐漸減少，最終有可能得到單層或少數(shù)幾層的石墨烯。以石墨烯的制備為例，2004年，英國(guó)曼徹斯特大學(xué)的AndreGeim和KonstantinNovoselov正是通過(guò)機(jī)械剝離法成功制備出石墨烯。他們將高定向熱解石墨（HOPG）用膠帶反復(fù)粘貼和剝離，利用膠帶的粘性將石墨層逐漸減薄，最終得到了單層石墨烯。這種開(kāi)創(chuàng)性的制備方法開(kāi)啟了二維材料研究的新時(shí)代，使得人們對(duì)二維材料的獨(dú)特性質(zhì)和應(yīng)用潛力有了更深入的認(rèn)識(shí)。通過(guò)這種方法制備的石墨烯，具有較高的質(zhì)量，其原子結(jié)構(gòu)完整，缺陷較少，能夠展現(xiàn)出石墨烯優(yōu)異的電學(xué)、力學(xué)和光學(xué)性能。由于石墨烯的原子級(jí)厚度和獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，它具有極高的電子遷移率，在室溫下電子遷移率可達(dá)到15000cm2/V?s，同時(shí)還具有出色的力學(xué)強(qiáng)度和良好的光學(xué)透明性。在制備高質(zhì)量二維半導(dǎo)體材料方面，機(jī)械剝離法具有顯著的優(yōu)勢(shì)。該方法能夠較好地保持材料的原子結(jié)構(gòu)完整性，所制備的二維半導(dǎo)體材料具有較低的缺陷密度。因?yàn)樵跈C(jī)械剝離過(guò)程中，主要是通過(guò)物理作用力將材料分層，沒(méi)有引入化學(xué)反應(yīng)，所以能夠最大程度地保留材料的原始特性。在制備MoS?時(shí)，機(jī)械剝離法可以避免因化學(xué)合成過(guò)程中可能引入的雜質(zhì)和缺陷，從而獲得高質(zhì)量的MoS?材料。這種高質(zhì)量的MoS?在光電器件應(yīng)用中表現(xiàn)出優(yōu)異的性能，如在光電探測(cè)器中，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)微弱光信號(hào)的高靈敏度探測(cè)，其響應(yīng)率和探測(cè)靈敏度都較高。機(jī)械剝離法制備的二維半導(dǎo)體材料在電學(xué)性能測(cè)試中表現(xiàn)出良好的一致性和穩(wěn)定性。由于材料的高質(zhì)量和低缺陷密度，電子在材料中的傳輸更加順暢，使得材料的電學(xué)性能更加穩(wěn)定。在晶體管應(yīng)用中，基于機(jī)械剝離法制備的二維半導(dǎo)體材料的晶體管具有較高的開(kāi)關(guān)比和較低的漏電電流，能夠?qū)崿F(xiàn)高效的電子開(kāi)關(guān)和信號(hào)傳輸。機(jī)械剝離法也存在一些局限性。該方法的制備效率較低，難以滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求。機(jī)械剝離過(guò)程主要依靠人工操作，每次剝離得到的二維材料數(shù)量有限，且操作過(guò)程較為繁瑣，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力。與化學(xué)氣相沉積（CVD）法等其他制備方法相比，CVD法可以在一次生長(zhǎng)過(guò)程中制備出大面積的二維材料，而機(jī)械剝離法很難實(shí)現(xiàn)大面積的制備。這使得機(jī)械剝離法在大規(guī)模生產(chǎn)二維半導(dǎo)體材料時(shí)成本過(guò)高，限制了其在工業(yè)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。機(jī)械剝離法制備的二維半導(dǎo)體材料的尺寸和形狀難以精確控制。由于剝離過(guò)程的隨機(jī)性，得到的二維材料在尺寸和形狀上存在較大的差異，難以滿(mǎn)足一些對(duì)材料尺寸和形狀要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景。在集成電路制造中，需要使用尺寸和形狀精確控制的半導(dǎo)體材料來(lái)制作晶體管等器件，而機(jī)械剝離法制備的材料很難滿(mǎn)足這一要求，限制了其在集成電路領(lǐng)域的應(yīng)用。3.2化學(xué)氣相沉積法3.2.1原理與工藝化學(xué)氣相沉積法（ChemicalVaporDeposition，CVD）是一種在材料制備領(lǐng)域廣泛應(yīng)用的技術(shù)，其原理基于氣態(tài)的原子或分子在高溫和催化劑的作用下分解，然后在基底表面沉積并反應(yīng)生成固態(tài)薄膜材料。在二維半導(dǎo)體材料的制備中，該方法通過(guò)精確控制反應(yīng)條件，能夠?qū)崿F(xiàn)高質(zhì)量、大面積的二維半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)。以制備二硫化鉬（MoS?）薄膜為例，其化學(xué)反應(yīng)原理如下：通常采用鉬源（如三氧化鉬MoO?）和硫源（如硫粉S）作為反應(yīng)物。在高溫環(huán)境下，鉬源和硫源分別升華成為氣態(tài)分子。三氧化鉬在高溫下升華形成MoO?氣體，硫粉升華形成S蒸氣。在載氣（如氬氣Ar和氫氣H?的混合氣體）的攜帶下，這些氣態(tài)分子被輸送到加熱的基底表面。在基底表面，MoO?與H?發(fā)生還原反應(yīng)，生成低價(jià)態(tài)的鉬氧化物（如MoO?），同時(shí)S蒸氣與低價(jià)態(tài)的鉬氧化物進(jìn)一步反應(yīng)，最終在基底表面沉積形成MoS?薄膜。整個(gè)反應(yīng)過(guò)程可以用以下化學(xué)反應(yīng)方程式表示：MoOa??+Ha??\longrightarrowMoOa??+Ha??OMoOa??+3S\longrightarrowMoSa??+2SO在具體工藝步驟方面，首先需要對(duì)基底進(jìn)行預(yù)處理，以確保其表面的清潔度和粗糙度符合要求。對(duì)于常見(jiàn)的藍(lán)寶石、二氧化硅等襯底，通常采用化學(xué)清洗的方法，如使用丙酮、乙醇等有機(jī)溶劑超聲清洗，去除表面的油污和雜質(zhì)；然后用去離子水沖洗，去除殘留的有機(jī)溶劑；最后用氮?dú)獯蹈?，保證基底表面干燥。預(yù)處理后的基底放入化學(xué)氣相沉積設(shè)備的反應(yīng)腔中。將適量的鉬源和硫源分別放置在不同的加熱區(qū)。加熱反應(yīng)腔，使鉬源和硫源在高溫下升華，產(chǎn)生氣態(tài)分子。通過(guò)質(zhì)量流量控制器精確控制載氣（如氬氣Ar和氫氣H?）的流量，將氣態(tài)的鉬源和硫源輸送到基底表面。在基底表面，氣態(tài)分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，逐漸沉積形成MoS?薄膜。在沉積過(guò)程中，需要精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量和沉積時(shí)間等參數(shù)。反應(yīng)溫度一般在800-1000℃之間，溫度過(guò)高可能導(dǎo)致薄膜生長(zhǎng)過(guò)快，產(chǎn)生較多缺陷；溫度過(guò)低則會(huì)使反應(yīng)速率變慢，生長(zhǎng)效率降低。氣體流量的控制對(duì)于薄膜的生長(zhǎng)質(zhì)量也至關(guān)重要，合適的氣體流量能夠保證反應(yīng)物均勻地輸送到基底表面，避免出現(xiàn)局部濃度過(guò)高或過(guò)低的情況。沉積時(shí)間根據(jù)所需薄膜的厚度進(jìn)行調(diào)整，一般在幾十分鐘到數(shù)小時(shí)不等。生長(zhǎng)結(jié)束后，緩慢降低反應(yīng)腔溫度，待溫度降至室溫后，取出樣品。對(duì)制備好的MoS?薄膜進(jìn)行后處理，如退火處理，以消除薄膜內(nèi)部的應(yīng)力，提高薄膜的結(jié)晶質(zhì)量?；瘜W(xué)氣相沉積法在制備大尺寸二維半導(dǎo)體材料方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。該方法能夠精確控制材料的生長(zhǎng)層數(shù)、面積和質(zhì)量。通過(guò)調(diào)節(jié)反應(yīng)時(shí)間、氣體流量等參數(shù)，可以精確控制二維半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)層數(shù)，實(shí)現(xiàn)從單層到多層的精確生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)合理設(shè)計(jì)反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)和氣體分布方式，可以實(shí)現(xiàn)大面積的均勻生長(zhǎng)，能夠滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)大尺寸材料的需求。相比其他制備方法，如機(jī)械剝離法難以制備大面積的二維材料，而化學(xué)氣相沉積法能夠在一次生長(zhǎng)過(guò)程中制備出大面積的二維半導(dǎo)體材料，大大提高了制備效率。3.2.2案例分析為了更深入地了解化學(xué)氣相沉積法在制備二維半導(dǎo)體材料中的應(yīng)用，以制備MoS?薄膜為例進(jìn)行詳細(xì)的案例分析。在實(shí)驗(yàn)中，選用藍(lán)寶石作為基底，其具有良好的化學(xué)穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性，與MoS?的晶格匹配度相對(duì)較好，有利于MoS?薄膜的生長(zhǎng)。實(shí)驗(yàn)采用的化學(xué)氣相沉積設(shè)備為管式爐化學(xué)氣相沉積系統(tǒng)，該系統(tǒng)具有溫度控制精度高、氣體流量控制穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)對(duì)反應(yīng)條件的精確控制要求。實(shí)驗(yàn)中使用的鉬源為純度99.99%的三氧化鉬（MoO?）粉末，硫源為純度99.9%的硫粉。載氣選用氬氣（Ar）和氫氣（H?）的混合氣體，其中氬氣作為稀釋氣體，氫氣作為還原劑，兩者的體積比為Ar:H?=95:5。通過(guò)質(zhì)量流量控制器精確控制氬氣和氫氣的流量，總流量設(shè)定為100sccm（標(biāo)準(zhǔn)立方厘米每分鐘）。將適量的MoO?粉末放置在管式爐的上游，硫粉放置在下游。將清洗干凈的藍(lán)寶石基底水平放置在管式爐的恒溫區(qū)。首先，將管式爐升溫至100℃，并保持30分鐘，以去除基底表面的水分和殘留的有機(jī)溶劑。然后，以10℃/分鐘的升溫速率將管式爐升溫至850℃，并保持恒溫。在升溫過(guò)程中，通入氬氣和氫氣的混合氣體，流量為100sccm。當(dāng)溫度達(dá)到850℃后，將硫粉加熱至150℃，使其升華產(chǎn)生硫蒸氣。硫蒸氣在載氣的攜帶下，與升華的MoO?氣體在基底表面發(fā)生反應(yīng)，開(kāi)始生長(zhǎng)MoS?薄膜。生長(zhǎng)時(shí)間設(shè)定為60分鐘。生長(zhǎng)結(jié)束后，關(guān)閉硫粉加熱裝置，停止硫蒸氣的產(chǎn)生。保持載氣流量不變，以5℃/分鐘的降溫速率將管式爐降溫至室溫。取出樣品，得到制備好的MoS?薄膜。對(duì)制備得到的MoS?薄膜進(jìn)行表征分析，采用原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量薄膜的厚度和表面形貌。AFM圖像顯示，制備的MoS?薄膜厚度均勻，平均厚度約為1.5nm，對(duì)應(yīng)于單層MoS?的厚度。薄膜表面較為平整，粗糙度較小，均方根粗糙度（RMS）約為0.5nm。通過(guò)拉曼光譜分析薄膜的晶體質(zhì)量，在拉曼光譜中，MoS?的特征峰位于380cm?1（E2??g模式）和405cm?1（A?g模式）附近，兩個(gè)特征峰的強(qiáng)度比和半高寬可以反映薄膜的晶體質(zhì)量和層數(shù)。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的拉曼光譜中，E2??g模式和A?g模式的強(qiáng)度比與理論值相符，且半高寬較窄，表明制備的MoS?薄膜具有較高的晶體質(zhì)量。在制備過(guò)程中，也可能出現(xiàn)一些問(wèn)題。例如，薄膜生長(zhǎng)不均勻是一個(gè)常見(jiàn)的問(wèn)題。這可能是由于氣體流量分布不均勻、反應(yīng)溫度不均勻或基底表面不平整等原因?qū)е碌?。為了解決這個(gè)問(wèn)題，可以?xún)?yōu)化反應(yīng)腔的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使氣體能夠均勻地分布在基底表面；采用高精度的溫度控制系統(tǒng)，確保反應(yīng)溫度的均勻性；在基底預(yù)處理過(guò)程中，提高基底表面的平整度，如采用化學(xué)機(jī)械拋光等方法。薄膜中可能存在雜質(zhì)，這會(huì)影響薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。雜質(zhì)的來(lái)源可能是反應(yīng)物的純度不夠、反應(yīng)腔密封不嚴(yán)或載氣中含有雜質(zhì)等。為了減少雜質(zhì)的引入，應(yīng)選用高純度的反應(yīng)物，確保反應(yīng)腔的密封性良好，并對(duì)載氣進(jìn)行嚴(yán)格的過(guò)濾和凈化處理。3.3液相剝離法3.3.1原理與流程液相剝離法是一種通過(guò)將體相材料分散在特定溶劑中，利用超聲、攪拌等外力作用克服材料層間的范德華力，從而將體相材料剝離成二維材料的制備方法。其基本原理基于材料在溶劑中的分散和相互作用。在液相環(huán)境中，溶劑分子與體相材料表面的原子或分子之間存在相互作用，當(dāng)施加超聲、攪拌等外力時(shí)，這些外力能夠提供足夠的能量，使溶劑分子插入體相材料的層間，削弱層間的范德華力，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)材料的剝離。在具體流程中，首先需要選擇合適的溶劑和表面活性劑。溶劑的選擇至關(guān)重要，理想的溶劑應(yīng)具有與二維材料良好的相容性，能夠有效地分散二維材料，同時(shí)不與材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。常見(jiàn)的溶劑有N-甲基吡咯烷酮（NMP）、二甲基亞砜（DMSO）等。NMP具有較高的沸點(diǎn)和良好的溶解性，能夠有效地分散多種二維半導(dǎo)體材料，如二硫化鉬（MoS?）、黑磷等。表面活性劑的添加可以進(jìn)一步提高材料在溶劑中的分散穩(wěn)定性。表面活性劑分子具有雙親性結(jié)構(gòu)，一端為親水性基團(tuán)，另一端為疏水性基團(tuán)。在溶液中，表面活性劑分子的疏水性基團(tuán)會(huì)吸附在二維材料表面，親水性基團(tuán)則朝向溶劑，從而在二維材料表面形成一層保護(hù)膜，減少二維材料之間的團(tuán)聚，提高其分散穩(wěn)定性。常用的表面活性劑有十二烷基硫酸鈉（SDS）、十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）等。以制備MoS?二維材料為例，將適量的MoS?粉末加入到裝有NMP溶劑的容器中，按照一定比例加入表面活性劑SDS。然后將容器置于超聲清洗器中，進(jìn)行超聲處理。超聲過(guò)程中，超聲振動(dòng)產(chǎn)生的能量能夠使溶劑分子快速運(yùn)動(dòng)，沖擊MoS?粉末，促使溶劑分子插入MoS?的層間，削弱層間的范德華力，從而實(shí)現(xiàn)MoS?的剝離。超聲時(shí)間通常在數(shù)小時(shí)到數(shù)十小時(shí)不等，具體時(shí)間取決于材料的性質(zhì)和所需的剝離程度。超聲處理后，得到含有二維MoS?材料的懸浮液。為了去除未剝離的大顆粒和雜質(zhì)，需要對(duì)懸浮液進(jìn)行離心分離。將懸浮液轉(zhuǎn)移到離心管中，放入離心機(jī)中，設(shè)置合適的離心速度和時(shí)間，一般離心速度在幾千轉(zhuǎn)每分鐘到上萬(wàn)轉(zhuǎn)每分鐘之間，離心時(shí)間在幾分鐘到幾十分鐘之間。經(jīng)過(guò)離心，未剝離的大顆粒和雜質(zhì)會(huì)沉淀到離心管底部，而含有二維MoS?材料的上清液則留在上層。小心地吸取上清液，即可得到較為純凈的二維MoS?材料懸浮液。3.3.2案例分析為了深入了解液相剝離法在制備二維半導(dǎo)體材料方面的應(yīng)用，以黑磷的液相剝離制備為例進(jìn)行詳細(xì)分析。在實(shí)驗(yàn)中，選用N-甲基吡咯烷酮（NMP）作為溶劑，因?yàn)镹MP對(duì)黑磷具有較好的溶解性和分散性，能夠有效地促進(jìn)黑磷的剝離。采用超聲輔助的方式進(jìn)行液相剝離，超聲功率設(shè)置為200W，超聲時(shí)間為12h。將適量的黑磷粉末加入到裝有NMP溶劑的玻璃容器中，黑磷粉末與NMP溶劑的質(zhì)量比為1:100。為了進(jìn)一步提高黑磷在NMP中的分散穩(wěn)定性，加入適量的表面活性劑聚乙烯吡咯烷酮（PVP），PVP與黑磷的質(zhì)量比為1:5。將裝有黑磷粉末、NMP溶劑和PVP的玻璃容器置于超聲清洗器中，進(jìn)行超聲處理。在超聲過(guò)程中，超聲產(chǎn)生的能量使NMP分子快速運(yùn)動(dòng)，沖擊黑磷粉末，促使NMP分子插入黑磷的層間，削弱層間的范德華力，從而實(shí)現(xiàn)黑磷的剝離。經(jīng)過(guò)12h的超聲處理后，得到含有二維黑磷材料的懸浮液。對(duì)制備得到的二維黑磷材料進(jìn)行表征分析。采用原子力顯微鏡（AFM）測(cè)量二維黑磷材料的厚度，AFM圖像顯示，制備的二維黑磷材料厚度均勻，平均厚度約為5nm，對(duì)應(yīng)于少數(shù)幾層黑磷的厚度。通過(guò)拉曼光譜分析二維黑磷材料的晶體質(zhì)量，在拉曼光譜中，黑磷的特征峰位于360cm?1、430cm?1和460cm?1附近，分別對(duì)應(yīng)于黑磷的A?g、B?g和A?u振動(dòng)模式。實(shí)驗(yàn)測(cè)得的拉曼光譜中，這些特征峰的強(qiáng)度和半高寬與高質(zhì)量黑磷的標(biāo)準(zhǔn)譜圖相符，表明制備的二維黑磷材料具有較高的晶體質(zhì)量。在大規(guī)模制備二維半導(dǎo)體材料方面，液相剝離法具有一定的潛力。該方法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和高溫、高壓等特殊條件，成本較低，適合大規(guī)模制備二維半導(dǎo)體材料。通過(guò)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)條件，如選擇合適的溶劑、表面活性劑和超聲參數(shù)等，可以提高二維半導(dǎo)體材料的制備效率和質(zhì)量。液相剝離法也面臨一些挑戰(zhàn)。制備過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，如表面活性劑殘留等，這些雜質(zhì)可能會(huì)影響二維半導(dǎo)體材料的性能。在后續(xù)應(yīng)用中，需要對(duì)制備的二維半導(dǎo)體材料進(jìn)行進(jìn)一步的純化處理，以去除雜質(zhì)，提高材料的性能。液相剝離法制備的二維半導(dǎo)體材料的尺寸和形狀難以精確控制，這在一定程度上限制了其在一些對(duì)材料尺寸和形狀要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景中的應(yīng)用。3.4其他制備方法除了上述幾種常見(jiàn)的制備方法外，分子束外延法和電化學(xué)插層法等在二維半導(dǎo)體材料制備中也具有獨(dú)特的應(yīng)用。分子束外延法（MolecularBeamEpitaxy，MBE）是一種在超高真空狀態(tài)下進(jìn)行材料外延生長(zhǎng)的技術(shù)。其原理是將高純度的元素或化合物在各自的分子束爐中加熱蒸發(fā)，形成定向的分子束流，然后發(fā)射到加熱的襯底表面。在襯底表面，分子束流中的原子或分子發(fā)生相互作用，逐漸凝結(jié)并結(jié)合成單質(zhì)或化合物半導(dǎo)體，從而實(shí)現(xiàn)二維半導(dǎo)體材料的生長(zhǎng)。在生長(zhǎng)過(guò)程中，通過(guò)精確控制分子束的流量和襯底的溫度等參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料生長(zhǎng)層數(shù)、原子排列方式以及摻雜濃度的精確控制。該方法能夠精確控制原子或分子的數(shù)量和排列方式，從而獲得高質(zhì)量的單晶薄膜。在制備Ⅲ-Ⅴ族半導(dǎo)體材料如GaAs基的InGaAs、AlGaAs時(shí)，通過(guò)分子束外延法可以精確控制材料的組分和摻雜分布，制備出具有高質(zhì)量和特定性能的二維半導(dǎo)體材料。分子束外延法具有諸多優(yōu)勢(shì)。它能夠在超高真空環(huán)境下制備高純低摻雜的半導(dǎo)體材料，這使得制備出的材料具有優(yōu)異的電學(xué)性能。在制備AlGaAs/GaAs調(diào)制摻雜異質(zhì)結(jié)時(shí)，在低溫下電子遷移率比天然存在的半導(dǎo)體材料大幾個(gè)數(shù)量級(jí)。該方法的生長(zhǎng)溫度相對(duì)較低，例如GaAs的MBE生長(zhǎng)溫度范圍在500-600℃，而在氣相外延沉積中通常為700℃。較低的生長(zhǎng)溫度可以減少成分或摻雜原子穿過(guò)界面的擴(kuò)散，從而保證組分和摻雜分布的突變性。分子束外延法的生長(zhǎng)過(guò)程是動(dòng)力學(xué)過(guò)程，不受熱力學(xué)的約束，能夠?qū)崿F(xiàn)一些在傳統(tǒng)熱力學(xué)條件下難以實(shí)現(xiàn)的材料生長(zhǎng)和結(jié)構(gòu)控制。分子束外延法也存在一些局限性。該方法設(shè)備復(fù)雜，需要超高真空系統(tǒng)、分子束爐、監(jiān)測(cè)設(shè)備等一系列精密設(shè)備，成本高昂。其生長(zhǎng)速率相對(duì)較慢，通常在1ML/s或者1μm/h或更低的水平，這限制了其大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的效率。由于設(shè)備和技術(shù)的復(fù)雜性，分子束外延法對(duì)操作人員的技術(shù)水平和專(zhuān)業(yè)知識(shí)要求較高，增加了技術(shù)應(yīng)用的難度。電化學(xué)插層法是利用電化學(xué)方法將金屬離子插入半導(dǎo)體材料的層間，從而制備出二維半導(dǎo)體材料的一種方法。在該方法中，通常將半導(dǎo)體材料作為工作電極，插入含有金屬離子的電解液中。通過(guò)在工作電極和對(duì)電極之間施加一定的電壓，使金屬離子在電場(chǎng)的作用下向半導(dǎo)體材料的層間遷移并插入。在制備二維過(guò)渡金屬硫化物半導(dǎo)體材料時(shí)，將過(guò)渡金屬硫化物材料作為工作電極，在含有鋰離子的電解液中，通過(guò)施加電壓，使鋰離子插入到過(guò)渡金屬硫化物的層間，削弱層間的相互作用，從而實(shí)現(xiàn)材料的剝離和二維材料的制備。電化學(xué)插層法的優(yōu)點(diǎn)在于可以實(shí)現(xiàn)對(duì)材料電子結(jié)構(gòu)的調(diào)控，從而改變其電學(xué)性能。通過(guò)控制插入的金屬離子種類(lèi)和濃度，可以調(diào)整二維半導(dǎo)體材料的能帶結(jié)構(gòu)、載流子濃度等電學(xué)參數(shù)。該方法相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要高溫、高壓等極端條件，設(shè)備成本相對(duì)較低。這種方法也存在一定的局限性。在插層過(guò)程中，可能會(huì)引入雜質(zhì)或?qū)е虏牧辖Y(jié)構(gòu)的損傷，從而影響材料的性能。電化學(xué)插層法的制備過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，需要精確控制電化學(xué)參數(shù)，如電壓、電流、時(shí)間等，以確保插層的均勻性和材料的質(zhì)量。3.5制備方法的比較與選擇不同制備方法在制備二維半導(dǎo)體材料時(shí)，在材料質(zhì)量、尺寸、成本、生產(chǎn)效率等方面存在顯著差異，這些差異直接影響著制備方法在不同應(yīng)用場(chǎng)景中的適用性。在材料質(zhì)量方面，機(jī)械剝離法能夠制備出高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料，其原子結(jié)構(gòu)完整性高，缺陷密度低。通過(guò)機(jī)械剝離法制備的石墨烯，具有極高的電子遷移率和優(yōu)異的電學(xué)性能，這得益于其在制備過(guò)程中沒(méi)有引入化學(xué)反應(yīng)，最大限度地保留了材料的原始特性?；瘜W(xué)氣相沉積法雖然能夠精確控制材料的生長(zhǎng)層數(shù)、面積和質(zhì)量，但在生長(zhǎng)過(guò)程中可能會(huì)引入雜質(zhì)，影響材料的質(zhì)量。在制備MoS?薄膜時(shí)，化學(xué)氣相沉積法可能會(huì)因?yàn)榉磻?yīng)氣體的純度不高或反應(yīng)過(guò)程中的污染，導(dǎo)致薄膜中存在雜質(zhì)，從而影響其電學(xué)和光學(xué)性能。液相剝離法制備的二維半導(dǎo)體材料可能存在缺陷和雜質(zhì)，這是由于在剝離過(guò)程中，溶劑分子和表面活性劑的殘留可能會(huì)引入雜質(zhì)，同時(shí)超聲等外力作用也可能會(huì)導(dǎo)致材料結(jié)構(gòu)的損傷，產(chǎn)生缺陷。從尺寸角度來(lái)看，機(jī)械剝離法制備的二維半導(dǎo)體材料尺寸較小，且尺寸和形狀難以精確控制。由于剝離過(guò)程的隨機(jī)性，得到的二維材料在尺寸和形狀上存在較大的差異，難以滿(mǎn)足一些對(duì)材料尺寸和形狀要求嚴(yán)格的應(yīng)用場(chǎng)景?；瘜W(xué)氣相沉積法在制備大尺寸二維半導(dǎo)體材料方面具有顯著優(yōu)勢(shì)，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積的均勻生長(zhǎng)，滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)大尺寸材料的需求。復(fù)旦大學(xué)周鵬-包文中團(tuán)隊(duì)通過(guò)化學(xué)氣相沉積法，在工業(yè)界主流12英寸（300毫米）晶圓上實(shí)現(xiàn)了均勻和單層MoS?材料的快速生長(zhǎng)。液相剝離法雖然可以制備出大面積的二維半導(dǎo)體材料，但在尺寸精確控制方面仍存在不足，材料的尺寸和形狀難以滿(mǎn)足高精度應(yīng)用的要求。成本是制備方法選擇中需要考慮的重要因素之一。機(jī)械剝離法由于制備效率低，主要依靠人工操作，每次剝離得到的二維材料數(shù)量有限，且操作過(guò)程較為繁瑣，需要耗費(fèi)大量的時(shí)間和人力，導(dǎo)致其成本較高?；瘜W(xué)氣相沉積法設(shè)備復(fù)雜，需要高溫、高壓等特殊條件，且反應(yīng)過(guò)程中需要使用高純度的反應(yīng)物和載氣，成本也相對(duì)較高。液相剝離法操作相對(duì)簡(jiǎn)單，不需要復(fù)雜的設(shè)備和高溫、高壓等特殊條件，成本較低。在大規(guī)模制備二維半導(dǎo)體材料時(shí)，液相剝離法在成本方面具有一定的優(yōu)勢(shì)。生產(chǎn)效率也是選擇制備方法時(shí)需要考量的關(guān)鍵因素。機(jī)械剝離法制備效率極低，難以滿(mǎn)足大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的需求?；瘜W(xué)氣相沉積法雖然可以實(shí)現(xiàn)大面積的生長(zhǎng)，但生長(zhǎng)過(guò)程較為復(fù)雜，需要精確控制反應(yīng)溫度、氣體流量等多個(gè)參數(shù)，生產(chǎn)效率相對(duì)較低。液相剝離法在大規(guī)模制備方面具有一定的潛力，操作相對(duì)簡(jiǎn)單，能夠在一定程度上提高生產(chǎn)效率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要根據(jù)具體需求選擇合適的制備方法。如果對(duì)材料質(zhì)量要求極高，且對(duì)尺寸和成本要求相對(duì)較低，如在一些高端科研領(lǐng)域和對(duì)性能要求苛刻的電子器件研發(fā)中，機(jī)械剝離法可能是較好的選擇，能夠提供高質(zhì)量的二維半導(dǎo)體材料用于研究和實(shí)驗(yàn)。如果需要制備大尺寸的二維半導(dǎo)體材料，且對(duì)材料質(zhì)量有一定要求，化學(xué)氣相沉積法是更為合適的選擇，能夠滿(mǎn)足工業(yè)化生產(chǎn)對(duì)大尺寸材料的需求，如在集成電路制造中，化學(xué)氣相沉積法制備的大尺寸二維半導(dǎo)體材料可用于制作晶體管等器件。當(dāng)對(duì)成本和生產(chǎn)效率要求較高，且對(duì)材料質(zhì)量的要求相對(duì)較低時(shí)，液相剝離法可用于大規(guī)模制備二維半導(dǎo)體材料，如在一些對(duì)材料性能要求不是特別嚴(yán)格的儲(chǔ)能、催化等領(lǐng)域，液相剝離法制備的二維半導(dǎo)體材料能夠滿(mǎn)足應(yīng)用需求，同時(shí)降低生產(chǎn)成本。四、二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能4.1非線性光學(xué)基本原理非線性光學(xué)是現(xiàn)代光學(xué)領(lǐng)域中一個(gè)重要的分支，主要研究在強(qiáng)光作用下，物質(zhì)的光學(xué)響應(yīng)與入射光強(qiáng)呈現(xiàn)非線性關(guān)系的現(xiàn)象。在傳統(tǒng)的線性光學(xué)中，材料的光學(xué)性質(zhì)，如折射率、極化率等，被認(rèn)為是與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的常量。當(dāng)光通過(guò)線性介質(zhì)時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P與光波的電場(chǎng)強(qiáng)度E成正比，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為P=\chi^{(1)}E，其中\(zhòng)chi^{(1)}為線性極化率，是一個(gè)與光強(qiáng)無(wú)關(guān)的常量。在這種情況下，光波的頻率、相位、振幅等特性在傳播過(guò)程中不會(huì)發(fā)生改變，光波之間也不會(huì)發(fā)生相互作用，遵循線性疊加原理。當(dāng)光強(qiáng)足夠高時(shí)，材料的光學(xué)響應(yīng)會(huì)呈現(xiàn)出非線性特性。此時(shí)，介質(zhì)的極化強(qiáng)度P與光波的電場(chǎng)強(qiáng)度E之間的關(guān)系不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是可以展開(kāi)為一個(gè)冪級(jí)數(shù)：P=\chi^{(1)}E+\chi^{(2)}E^2+\chi^{(3)}E^3+\cdots其中，\chi^{(2)}、\chi^{(3)}等分別為二階、三階非線性極化率，它們的數(shù)值通常比線性極化率\chi^{(1)}小很多個(gè)數(shù)量級(jí)。在一般的弱光條件下，高次項(xiàng)（\chi^{(2)}E^2、\chi^{(3)}E^3等）的貢獻(xiàn)非常小，可以忽略不計(jì)，材料表現(xiàn)出線性光學(xué)特性。當(dāng)光強(qiáng)足夠高時(shí)，這些高次項(xiàng)的作用就不能被忽視，從而導(dǎo)致了各種非線性光學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生。非線性折射率是描述非線性光學(xué)效應(yīng)的一個(gè)重要參數(shù)。在強(qiáng)光作用下，材料的折射率n不僅與材料本身的性質(zhì)有關(guān)，還與光強(qiáng)I有關(guān)，可表示為n=n_0+n_2I，其中n_0為線性折射率，是材料在弱光條件下的折射率；n_2為非線性折射率系數(shù)，它反映了材料的非線性光學(xué)特性，n_2的值越大，材料的非線性光學(xué)效應(yīng)就越顯著。當(dāng)一束強(qiáng)光通過(guò)具有非線性折射率的材料時(shí)，光強(qiáng)分布的不均勻會(huì)導(dǎo)致折射率的空間變化，從而使光束發(fā)生自聚焦或自散焦等現(xiàn)象。如果光束中心的光強(qiáng)大于邊緣的光強(qiáng)，那么中心區(qū)域的折射率會(huì)大于邊緣區(qū)域，光束會(huì)向中心匯聚，產(chǎn)生自聚焦現(xiàn)象；反之，如果中心光強(qiáng)小于邊緣光強(qiáng)，光束則會(huì)發(fā)生自散焦。非線性光學(xué)效應(yīng)產(chǎn)生的物理機(jī)制可以從微觀層面進(jìn)行解釋。在原子或分子尺度上，當(dāng)強(qiáng)光作用于材料時(shí)，材料中的電子云會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的畸變。電子受到光波電場(chǎng)的作用，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)發(fā)生改變，不再是簡(jiǎn)單的線性響應(yīng)。電子與原子核之間的相互作用也會(huì)發(fā)生變化，導(dǎo)致原子或分子的極化狀態(tài)發(fā)生非線性變化。在高能量光子的激發(fā)下，電子可能會(huì)發(fā)生多光子吸收過(guò)程，即一個(gè)電子同時(shí)吸收多個(gè)光子，從而躍遷到更高的能級(jí)。這種多光子吸收過(guò)程就是一種典型的非線性光學(xué)現(xiàn)象，它與材料的非線性極化率密切相關(guān)。從量子力學(xué)的角度來(lái)看，非線性光學(xué)效應(yīng)涉及到多個(gè)量子態(tài)之間的相互作用。當(dāng)強(qiáng)光入射到材料中時(shí)，材料中的原子或分子會(huì)與光子發(fā)生相互作用，導(dǎo)致電子在不同的量子態(tài)之間躍遷。在這個(gè)過(guò)程中，由于非線性極化的存在，電子的躍遷概率不再是簡(jiǎn)單的線性關(guān)系，而是與光強(qiáng)的高次冪相關(guān)。這就使得材料的光學(xué)響應(yīng)呈現(xiàn)出非線性特性。在二次諧波產(chǎn)生過(guò)程中，兩個(gè)光子與材料中的原子或分子相互作用，通過(guò)非線性極化過(guò)程，產(chǎn)生一個(gè)頻率為入射光頻率兩倍的光子，這一過(guò)程涉及到原子或分子的多個(gè)量子態(tài)之間的耦合和躍遷。非線性光學(xué)效應(yīng)的產(chǎn)生還與材料的晶體結(jié)構(gòu)密切相關(guān)。在晶體材料中，原子的周期性排列形成了特定的晶格結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)會(huì)影響材料的電子分布和極化特性。具有中心對(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)的晶體，其二階非線性極化率\chi^{(2)}為零，不會(huì)產(chǎn)生二階非線性光學(xué)效應(yīng)，如二次諧波產(chǎn)生、和頻產(chǎn)生等。而對(duì)于非中心對(duì)稱(chēng)的晶體，由于其晶格結(jié)構(gòu)的不對(duì)稱(chēng)性，電子在電場(chǎng)作用下的分布會(huì)發(fā)生不對(duì)稱(chēng)變化，從而導(dǎo)致二階非線性極化率不為零，能夠產(chǎn)生二階非線性光學(xué)效應(yīng)。一些典型的非中心對(duì)稱(chēng)晶體，如磷酸二氫鉀（KDP）、硼酸鋇（BBO）等，在非線性光學(xué)領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，常被用于制作二次諧波發(fā)生器、和頻發(fā)生器等非線性光學(xué)器件。4.2二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)效應(yīng)4.2.1二次諧波產(chǎn)生二次諧波產(chǎn)生（SecondHarmonicGeneration，SHG）是一種重要的二階非線性光學(xué)效應(yīng)，其原理基于非線性極化理論。當(dāng)一束頻率為\omega的強(qiáng)激光入射到非線性介質(zhì)中時(shí)，根據(jù)非線性極化強(qiáng)度P與光波電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系：P=\chi^{(1)}E+\chi^{(2)}E^2+\chi^{(3)}E^3+\cdots，其中\(zhòng)chi^{(2)}為二階非線性極化率。在二階非線性光學(xué)效應(yīng)中，只考慮到二次項(xiàng)\chi^{(2)}E^2。由于電場(chǎng)強(qiáng)度E=E_0\cos(\omegat)，將其代入二次項(xiàng)可得：\begin{align*}P^{(2)}&=\chi^{(2)}E^2\\&=\chi^{(2)}E_0^2\cos^2(\omegat)\\&=\frac{1}{2}\chi^{(2)}E_0^2(1+\cos(2\omegat))\end{align*}從上述公式可以看出，極化強(qiáng)度P^{(2)}中包含了一個(gè)直流分量\frac{1}{2}\chi^{(2)}E_0^2和一個(gè)頻率為2\omega的交流分量\frac{1}{2}\chi^{(2)}E_0^2\cos(2\omegat)。這個(gè)頻率為2\omega的交流分量會(huì)輻射出頻率為2\omega的電磁波，即產(chǎn)生了二次諧波。以過(guò)渡金屬二硫族化合物（TMDs）中的二硫化鉬（MoS?）為例，其二次諧波產(chǎn)生與材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子特性密切相關(guān)。MoS?具有層狀結(jié)構(gòu)，每?jī)蓪恿蛟又虚g夾著一層鉬原子，形成類(lèi)似于三明治的結(jié)構(gòu)，層間通過(guò)范德華力相互作用。在這種結(jié)構(gòu)中，由于原子排列的不對(duì)稱(chēng)性，使得MoS?具有非零的二階非線性極化率\chi^{(2)}，從而能夠產(chǎn)生二次諧波。從電子特性角度分析，當(dāng)頻率為\omega的激光入射到MoS?中時(shí)，光子與材料中的電子相互作用，電子會(huì)發(fā)生躍遷和重新分布。由于MoS?的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電子在躍遷過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生非線性極化，進(jìn)而導(dǎo)致二次諧波的產(chǎn)生。在MoS?的能帶結(jié)構(gòu)中，價(jià)帶和導(dǎo)帶之間存在一定的能量差，當(dāng)光子能量與能帶間隙滿(mǎn)足一定條件時(shí)，電子會(huì)吸收光子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶，同時(shí)產(chǎn)生非線性極化電流，輻射出二次諧波。影響MoS?二次諧波產(chǎn)生的因素眾多。晶體結(jié)構(gòu)的完整性是一個(gè)重要因素。高質(zhì)量的MoS?晶體，其原子排列有序，缺陷較少，能夠提供更有效的非線性極化，從而增強(qiáng)二次諧波的產(chǎn)生效率。相反，若晶體中存在較多的缺陷，如空位、雜質(zhì)等，會(huì)破壞原子的有序排列，影響電子的躍遷和極化過(guò)程，降低二次諧波的產(chǎn)生效率。入射光的強(qiáng)度對(duì)二次諧波產(chǎn)生也有顯著影響。根據(jù)二次諧波產(chǎn)生的原理，二次諧波的強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度的平方成正比。當(dāng)入射光強(qiáng)度增加時(shí)，材料中的非線性極化增強(qiáng)，二次諧波的強(qiáng)度也隨之增強(qiáng)。但當(dāng)入射光強(qiáng)度過(guò)高時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致材料的損傷，反而降低二次諧波的產(chǎn)生效率。溫度也是影響MoS?二次諧波產(chǎn)生的因素之一。隨著溫度的升高，材料中的原子熱運(yùn)動(dòng)加劇，晶格振動(dòng)增強(qiáng)，這會(huì)影響電子與晶格的相互作用，進(jìn)而影響二次諧波的產(chǎn)生。在高溫下，原子的熱振動(dòng)可能會(huì)破壞電子的躍遷路徑，導(dǎo)致非線性極化減弱，二次諧波的強(qiáng)度降低。在相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究中，科研人員通過(guò)多種方法對(duì)MoS?的二次諧波產(chǎn)生特性進(jìn)行了研究。采用光致發(fā)光光譜（PL）和二次諧波產(chǎn)生光譜（SHG）相結(jié)合的方法，對(duì)不同層數(shù)的MoS?進(jìn)行了表征。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，單層MoS?由于其獨(dú)特的原子結(jié)構(gòu)和電子特性，具有較高的二次諧波產(chǎn)生效率。隨著層數(shù)的增加，MoS?的二次諧波強(qiáng)度逐漸降低。這是因?yàn)槎鄬覯oS?中，層間的相互作用會(huì)影響電子的躍遷和極化過(guò)程，導(dǎo)致非線性極化減弱，二次諧波產(chǎn)生效率降低。通過(guò)改變?nèi)肷涔獾牟ㄩL(zhǎng)和功率，研究了MoS?二次諧波產(chǎn)生的波長(zhǎng)依賴(lài)性和功率依賴(lài)性。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射光波長(zhǎng)與MoS?的吸收峰匹配時(shí)，二次諧波的產(chǎn)生效率最高。這是因?yàn)樵谖辗逄?，光子與材料中的電子相互作用最強(qiáng)，能夠產(chǎn)生更有效的非線性極化。隨著入射光功率的增加，二次諧波的強(qiáng)度呈現(xiàn)出平方增長(zhǎng)的趨勢(shì)，與理論預(yù)期相符。4.2.2三次諧波產(chǎn)生三次諧波產(chǎn)生（ThirdHarmonicGeneration，THG）是一種三階非線性光學(xué)效應(yīng)，其原理基于介質(zhì)在強(qiáng)激光作用下的三階非線性極化。當(dāng)頻率為\omega的強(qiáng)激光入射到非線性介質(zhì)中時(shí)，根據(jù)非線性極化強(qiáng)度P與光波電場(chǎng)強(qiáng)度E的關(guān)系式P=\chi^{(1)}E+\chi^{(2)}E^2+\chi^{(3)}E^3+\cdots，在三階非線性光學(xué)效應(yīng)中，考慮到三次項(xiàng)\chi^{(3)}E^3。假設(shè)電場(chǎng)強(qiáng)度E=E_0\cos(\omegat)，將其代入三次項(xiàng)可得：\begin{align*}P^{(3)}&=\chi^{(3)}E^3\\&=\chi^{(3)}E_0^3\cos^3(\omegat)\\&=\chi^{(3)}E_0^3\left(\frac{3}{4}\cos(\omegat)+\frac{1}{4}\cos(3\omegat)\right)\end{align*}從上述公式可以看出，極化強(qiáng)度P^{(3)}中包含了頻率為\omega的基波分量和頻率為3\omega的三次諧波分量。這個(gè)頻率為3\omega的分量會(huì)輻射出頻率為3\omega的電磁波，即產(chǎn)生了三次諧波。三次諧波的產(chǎn)生與材料的能帶結(jié)構(gòu)和電子躍遷密切相關(guān)。在材料中，電子處于不同的能級(jí)，形成了特定的能帶結(jié)構(gòu)。當(dāng)頻率為\omega的光子入射到材料中時(shí)，電子會(huì)吸收光子的能量發(fā)生躍遷。在非線性光學(xué)過(guò)程中，電子可能會(huì)通過(guò)多光子吸收的方式躍遷到更高的能級(jí)。在三次諧波產(chǎn)生過(guò)程中，電子可能會(huì)同時(shí)吸收三個(gè)頻率為\omega的光子，躍遷到更高的能級(jí)，然后再通過(guò)輻射躍遷回到較低能級(jí)，同時(shí)輻射出頻率為3\omega的光子，從而產(chǎn)生三次諧波。不同二維半導(dǎo)體材料由于其原子結(jié)構(gòu)和電子特性的差異，三次諧波產(chǎn)生的特性也存在顯著差異。以二硫化鉬（MoS?）和硫化鎢（WS?）為例，MoS?的晶體結(jié)構(gòu)為每?jī)蓪恿蛟又虚g夾著一層鉬原子，形成類(lèi)似于三明治的結(jié)構(gòu)，層間通過(guò)范德華力相互作用。WS?的晶體結(jié)構(gòu)與MoS?類(lèi)似，但由于鎢原子和鉬原子的電子結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致它們的能帶結(jié)構(gòu)和電子躍遷特性有所差異。在能帶結(jié)構(gòu)方面，MoS?的帶隙約為1.2-1.8eV（隨層數(shù)變化），而WS?的帶隙約為2.0-2.5eV。這種帶隙的差異會(huì)影響電子躍遷的能量需求和躍遷概率，進(jìn)而影響三次諧波的產(chǎn)生效率。由于WS?的帶隙較大，電子躍遷到更高能級(jí)需要吸收更多的能量，在相同的入射光條件下，WS?中電子同時(shí)吸收三個(gè)光子實(shí)現(xiàn)躍遷的概率相對(duì)較低，因此其三次諧波產(chǎn)生效率可能相對(duì)較低。從原子結(jié)構(gòu)角度分析，MoS?和WS?中原子的排列方式和化學(xué)鍵特性也會(huì)影響三次諧波的產(chǎn)生。MoS?和WS?中原子間的化學(xué)鍵強(qiáng)度和電子云分布不同，這會(huì)影響電子在電場(chǎng)作用下的運(yùn)動(dòng)和極化特性。MoS?中鉬-硫鍵的特性使得電子在電場(chǎng)作用下的極化響應(yīng)與WS?中鎢-硫鍵有所不同，從而導(dǎo)致它們?cè)谌沃C波產(chǎn)生過(guò)程中的非線性極化程度不同，三次諧波產(chǎn)生特性也存在差異。在實(shí)際應(yīng)用中，了解不同二維半導(dǎo)體材料三次諧波產(chǎn)生的特性差異對(duì)于選擇合適的材料用于非線性光學(xué)器件具有重要意義。在需要高三次諧波產(chǎn)生效率的應(yīng)用中，如激光頻率轉(zhuǎn)換器件，可能需要選擇具有合適能帶結(jié)構(gòu)和原子結(jié)構(gòu)的二維半導(dǎo)體材料，以實(shí)現(xiàn)高效的三次諧波產(chǎn)生。4.2.3飽和吸收與反飽和吸收飽和吸收和反飽和吸收是兩種重要的非線性光學(xué)吸收現(xiàn)象，它們?cè)诠庀薹⒊旒す獾阮I(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。飽和吸收是指當(dāng)入射光強(qiáng)度較低時(shí)，材料對(duì)光的吸收遵循線性吸收規(guī)律，吸收系數(shù)為常數(shù)。隨著入射光強(qiáng)度的增加，材料中的吸收中心（如原子、分子或離子）會(huì)逐漸被激發(fā)到高能級(jí)，導(dǎo)致低能級(jí)的吸收中心數(shù)量減少，從而使材料對(duì)光的吸收逐漸飽和，吸收系數(shù)降低。在飽和吸收過(guò)程中，材料的吸收特性與光強(qiáng)的關(guān)系可以用以下公式描述：\alpha(I)=\frac{\alpha_0}{1+\frac{I}{I_s}}其中，\alpha(I)是光強(qiáng)為I時(shí)的吸收系數(shù)，\alpha_0是低光強(qiáng)下的線性吸收系數(shù)，I_s是飽和光強(qiáng)。當(dāng)I\llI_s時(shí)，\alpha(I)\approx\alpha_0，材料表現(xiàn)為線性吸收；當(dāng)I\ggI_s時(shí)，\alpha(I)\approx\frac{\alpha_0I_s}{I}，吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而減小，呈現(xiàn)飽和吸收現(xiàn)象。反飽和吸收則與飽和吸收相反，當(dāng)入射光強(qiáng)度增加時(shí)，材料的吸收系數(shù)增大。反飽和吸收通常是由于材料中的多光子吸收或激發(fā)態(tài)吸收引起的。在多光子吸收過(guò)程中，一個(gè)電子可以同時(shí)吸收多個(gè)光子，躍遷到更高的能級(jí)，從而增加了材料對(duì)光的吸收。在激發(fā)態(tài)吸收中，材料中的電子被激發(fā)到高能級(jí)后，這些激發(fā)態(tài)電子可以進(jìn)一步吸收光子，躍遷到更高的激發(fā)態(tài)，導(dǎo)致吸收系數(shù)增大。反飽和吸收過(guò)程中，材料的吸收特性與光強(qiáng)的關(guān)系較為復(fù)雜，一般可以用以下公式近似描述：\alpha(I)=\alpha_0+\betaI其中，\beta是反飽和吸收系數(shù)，反映了材料的反飽和吸收特性。當(dāng)\beta>0時(shí)，材料表現(xiàn)為反飽和吸收，吸收系數(shù)隨光強(qiáng)的增加而增大。二維半導(dǎo)體材料中飽和吸收和反飽和吸收現(xiàn)象的產(chǎn)生機(jī)制與材料的電子結(jié)構(gòu)和能級(jí)特性密切相關(guān)。以石墨烯為例，石墨烯具有獨(dú)特的二維蜂窩狀結(jié)構(gòu)，其電子具有線性色散關(guān)系，在狄拉克點(diǎn)附近形成零帶隙的能帶結(jié)構(gòu)。由于其獨(dú)特的電子結(jié)構(gòu)，石墨烯表現(xiàn)出超寬帶可飽和吸收特性。當(dāng)入射光照射到石墨烯上時(shí)，光子與石墨烯中的電子相互作用，電子吸收光子的能量躍遷到高能級(jí)。由于石墨烯的能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，電子在低能級(jí)和高能級(jí)之間的躍遷概率較高，且電子的弛豫時(shí)間較短，使得石墨烯能夠快速地吸收和釋放光子，從而實(shí)現(xiàn)飽和吸收。在低光強(qiáng)下，石墨烯中的電子主要處于基態(tài)，對(duì)光的吸收遵循線性吸收規(guī)律。隨著光強(qiáng)的增加，越來(lái)越多的電子被激發(fā)到高能級(jí)，基態(tài)電子數(shù)量減少，導(dǎo)致對(duì)光的吸收逐漸飽和，吸收系數(shù)降低。對(duì)于一些具有特定能帶結(jié)構(gòu)的二維半導(dǎo)體材料，如過(guò)渡金屬硫族化合物（TMDs），可能會(huì)出現(xiàn)反飽和吸收現(xiàn)象。以二硫化鉬（MoS?）為例，MoS?具有直接帶隙，在光激發(fā)下，電子從價(jià)帶躍遷到導(dǎo)帶。當(dāng)光強(qiáng)較高時(shí)，導(dǎo)帶中的電子可以通過(guò)雙光子吸收等過(guò)程躍遷到更高的激發(fā)態(tài)，這些激發(fā)態(tài)電子又可以進(jìn)一步吸收光子，導(dǎo)致吸收系數(shù)增大，表現(xiàn)為反飽和吸收。在MoS?中，當(dāng)入射光的光子能量與材料的帶隙能量滿(mǎn)足一定條件時(shí)，電子可以同時(shí)吸收兩個(gè)光子，從價(jià)帶躍遷到更高的激發(fā)態(tài)，從而增加了材料對(duì)光的吸收。飽和吸收和反飽和吸收在光限幅、超快激光等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用。在光限幅領(lǐng)域，利用材料的反飽和吸收特性可以實(shí)現(xiàn)光限幅器的功能。當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，光限幅器對(duì)光的吸收較小，光可以順利通過(guò)。當(dāng)光強(qiáng)超過(guò)一定閾值時(shí)，材料的反飽和吸收特性使得吸收系數(shù)迅速增大，從而限制了光的透過(guò)率，保護(hù)了后續(xù)的光學(xué)器件和探測(cè)器免受強(qiáng)光的損傷。在超快激光領(lǐng)域，飽和吸收體被廣泛應(yīng)用于鎖模技術(shù)中。通過(guò)將飽和吸收體引入激光諧振腔中，利用其飽和吸收特性，可以實(shí)現(xiàn)激光的脈沖鎖模，產(chǎn)生超短脈沖激光。在激光諧振腔中，當(dāng)光強(qiáng)較低時(shí)，飽和吸收體對(duì)光的吸收較大，抑制了激光的振蕩。當(dāng)光強(qiáng)增加到一定程度時(shí)，飽和吸收體發(fā)生飽和吸收，對(duì)光的吸收減小，使得激光能夠在諧振腔中振蕩放大，從而產(chǎn)生超短脈沖激光。4.3影響二維半導(dǎo)體材料非線性光學(xué)性能的因素4.3.1材料結(jié)構(gòu)材料結(jié)構(gòu)對(duì)二維半導(dǎo)體材料的非線性光學(xué)性能具有重要影響，主要體現(xiàn)在原子結(jié)構(gòu)、晶體結(jié)構(gòu)和層數(shù)等方面。原子結(jié)構(gòu)決定了材料的基本物理性質(zhì)，進(jìn)而影響非線性光學(xué)性能。在二維半導(dǎo)體材料中，原子的種類(lèi)、排列方式以及原子間的化學(xué)鍵類(lèi)型等都與非線性光學(xué)性能密切相關(guān)。以過(guò)渡金屬二硫族化合物（TMDs）為例，二硫化鉬（MoS?）和硫化鎢（WS?）雖然都屬于TMDs材料，但由于鉬（Mo）和鎢（W）原子的電子結(jié)構(gòu)不同，導(dǎo)致它們的非線性光學(xué)性能存在差異。Mo原子的電子構(gòu)型