二维(Two dimensional,2D)层状材料由于其新奇和独特的电子学和光学性质在光电器件如场效应管、晶体管、光伏设备等方面表现出广阔的应用前景,引起了人们的广泛关注。在2D材料家族中,层状过渡金属硫化物(Transition metal dichalcogenides,TMDCs)以其独特的晶体结构、广泛的化学成分和优异的物理和化学性质而成为基础研究和技术应用的热点。TMDCs是带隙在1～2.5 eV范围内的本征半导体,具有很强的光与物质相互作用,高的载流子迁移率以及自旋等特性,因此在光电器件领域有非常大的应用潜力。此外,2D层状材料的层间是由弱的范德华相互作用连接,且无表面悬挂键,有利于制作高质量的范德华同质结和异质结,而不受限于传统异质结的晶格匹配条件。2D层状材料的电子学性质可以通过层数、外界应力、掺杂、界面转动等进行有效的调控。随着尺寸的减小,表面原子所占的比例增加,高体表比和高配位缺陷的边界原子将导致体系自发弛豫,使得体系处于自平衡态,体系的能量、电荷等将重新分配。此外,在外界微扰的作用下,体系的晶格参数和能量也会发生变化,进而改变体系的电子学性质。虽然目前在2D体系电子学性质的实验和计算方面取得了一些进展,但存在着一些基本的问题有待阐明:如缺乏对层间耦合定量分析的理论模型;界面扭转与层间距和耦合强度及带隙与界面转角之间的关系不明确;TMDCs合金中的尺寸和组分对带隙调制以及2D范德华同质或异质结的光电性质调控的物理机制不清楚等等。基于上述这些问题,为了探索TMDCs的能带调控与外界微扰(包括应变、界面转动、掺杂、尺寸等因素)的关系,我们基于键弛豫理论方法,探索了 2D层状材料电子学性质调控的机理,从原子层次揭示了 TMDCs的能带与键参数之间的关系;研究了单轴应变对单层MoS2能带结构的调制,建立了键参数与单轴应变之间的关系,阐明了单轴拉伸应力对单层MoS2带隙的调制机理;其次,研究了MoS2/WSe2垂直堆垛范德华异质结界面处的能级排列以及光电性能与尺寸的关系,发现了实现最优化光电转换效率的条件;此外,发现了双层MoS2同质结的层间范德华耦合、层间距和带隙随界面转角的演变规律;提出了TMDCs的带隙与尺寸和组分的关系。具体的研究结果主要有:(1)建立了单轴拉伸应变下单层MoS2能带漂移的理论模型,探究了应力场对体系键参数(键长、键角等)以及带隙漂移的影响。发现在单轴拉伸应变下,单层MoS的带隙呈近似线性红移,红移率约为53.4 mV/%应变,并且呈现出各向同性,其调制机理可归因于键长、键角、键能的变化导致的晶体势的变化。(2)将细致平衡原理推广到纳米尺度,研究了 2D范德华异质结界面处的能级排列和光电性能,建立了光电转换效率与尺寸的关系。并且,定量分析了原子尺度下体系的光吸收与体系厚度的关系;提出了几何结构参数和体系本征性质对太阳能电池的光电性质的理论模型,发现了实现最优的光电转换效率的条件。研究结果表明单层MoS2/WSe2的光电转换效率可以高达1.70%,而且随着厚度的增加,由于光吸收的增加光电转换效率也会增加。(3)研究了双层MoS2同质结的层间距和层间范德华耦合强度随界面转角的变化,并结合键弛豫理论构建了体系能带漂移与界面转角的关系。发现层间距表现出明显的转角依赖性,而且体系的带隙从1.53eV(AB 堆垛)增加到1.68 eV(AA堆垛)。(4)分析了 2D-TMDCs合金中的能带漂移与尺寸和组分的关系,通过键参数的变化探究了能带调制的机理和弯曲因子的物理含义。发现2D-TMDCs合金的带隙随组分的变化趋势表现出明显的尺寸依赖性,并且由于合金组分的不同而呈现蓝移或红移。尺寸和组分都可以作为调节带隙的有效方法,为提高2D体系合金的性能提供了有效的理论依据。