近年来,以石墨烯为代表的二维原子晶体材料,由于在柔性集成器件方面有着非常明显的优势,而受到了广泛的重视和研究关注。然而,虽然石墨烯具有非常优良的电学,力学和光学性能,但它不是半导体,没有带隙,这极大地限制了它在光电器件中的应用。尽管人们也曾试图通过多种途径想打开石墨烯的带隙,但终究难度太大,效果不尽人意。石墨烯的快速发展和制备超薄层方法的进步加速了人们对其他二维材料的研究。特别是,过渡金属硫化物,由于其单层层状结构类似于石墨烯,已得到人们显著的关注,最重要的是,它们中的一些是有相当大的带隙的半导体而且在自然界里是丰富存在的。过渡金属硫化物,如MoS2、MoSe2、WS2和WSe2等,由于其原子级超薄的层状结构、独特的光电性质及在集成纳米系统的潜在应用,作为新的二维层状材料它们已经吸引了广泛的关注。近两年,以MoS2为代表的二维原子晶体半导体陆续被发现,由于单层MoS2它有直接带隙,具有优良的光子和光电子特性,为二维光电应用带来了希望。既然带隙是半导体材料在光电应用上最重要的特征参数,在过渡金属硫化物研究中一个重要工作就是获得在功能性光电器件上可调节带隙的二维材料。有鉴于此,本论文精心设计和改进了传统化学气相沉积纳米材料生长技术并在此基础上生长了多种特殊的二维层状半导体纳米结构。最终成功地合成出了带隙连续可调的二维合金材料,以及在单个二维半导体纳米结构中通过合金组分调控实现了单纳米结构带隙调控。更加重要的是,通过新发现的原子置换方法,我们实现了对二维半导体化学组分的可控调节,并提出了自催化应力驱动的置换机制。主要代表性研究成果归纳如下:(1)在温度梯度的辅助下,我们成功地率先在化学气相沉积生长装置中实现了二维全组分MoS2xSe2(1-x)合金纳米片的可控性同时制备。实验中,我们所获得的合金样品具有非常对称的三角形形貌,其边长可长至80 μm。在激光的激发下,从不同生长温度位置所收集的合金样品展现了与组分完全对应的拉曼振动频率以及光致发光发射性质。所有不同组分的合金纳米片都展示了单一的带边发射峰,并且其发光峰位可以从668 nm(纯MoS2)连续调节至795 nm(纯MoSe2)。(2)成功地在传统化学气相沉积装置上集成了磁力助推系统,并在此基础上利用反应源移动式化学气相沉积方法首次成功生长了沿单纳米片横向方向具有组分递变的MoS2(1-x)Se2x合金纳米片,微观结构和光谱表征均证实了所得合金纳米片具有非常高的结晶质量,并且从样品的中心到边缘位置,其组分可以从x=0(纯MoS2)连续可调至x=0.68。这些合金纳米片可以发出与位置相关的光致发光,其对应的发射峰位中心可以从680 nm(中心位置)到755 nm(边缘位置)连续调节。(3)通过新发现的原子置换方法,我们实现了对二维半导体化学组分的可控调节,得到了界面能带排列连续可调的新型原子尺度MoS2-MoS2(1-x)Se2x横向异质结构的有效构建。微观结构和光谱表征结果均证实了置换后的堆垛纳米片为横向组分异质结构,该结构外围单层区域的组分可以被连续的调节为MoS2(1-x)S2x合金,而中间双层区域的组分一直保持为纯MoS2。这种组分可调的横向异质结构表现出了极好的与组分相关的光学性能调制性,在保持中间区域光致发光位置不变的基础上,外围区域光致发光可实现宽波段的连续可调。(4)我们成功地实现了单层MoS2和MoSe2纳米片梯度置换的精确控制。通过对比实验结果与密度泛函理论和动力学蒙特卡罗模拟计算结果,我们提出了下述的置换反应机制。首先,Se原子选择性的吸附在MoS2纳米片的表面,然后,这个吸附的Se原子朝相邻的一个S原子方向移动,并将这个S原子从MoS2纳米片表面举起,最后,Se原子取代了这个S原子的原始位置,并将它推向其相邻S原子的上方。因为这个Se-S原子交换转让过程,MoS2纳米片中的S原子被新来的Se原子取代。然后,我们发现,置换反应中的势垒以及置换率,都与被置换S原子位置的局部应力高度相关。这个发现为我们精确控制置换过程提供了重要的线索。而且,MoSe2纳米片中相反的梯度现象证实了我们的机制。对于单层WS2和WSe2,由于它们结构类似,势垒和晶格常数的关系与MoS2和MoSe2相同,通过理论我们可以推测它们会有相同的实验结果。也即是说,WS2纳米片的硒置换反应会出现明显的组分梯度现象:纳米片边缘位置置换率高而中心位置置换率低。由于这个机制与特定的电子结构无关,我们相信,这个置换机制不仅仅在过渡金属硫化物中发生,而是在所有的二维材料中都会适用。