气体传感器能够有效检测浓度低于人类嗅觉极限的有毒有害及易燃易爆等气体, 在****、环境安全、医疗诊断等领域具有重大的研究意义。其中电阻式气体传感器因其成本低廉, 普遍适用于民用气体检测而受到广泛应用。气敏材料是气体传感器的核心, 设计合成合适的气敏材料对发展高性能气体传感器至关重要。本文在简单介绍气体传感器、电阻式气体传感器以及电阻式气体传感器常用的几种传感材料的基础上, 聚焦于n型半导体SnS2气敏材料, 归纳了该材料的结构与性质, 重点阐述了提升SnS2气敏材料传感性能的方法, 包括空位工程、热激活工程、光激活工程和异质结工程, 并对SnS2气敏材料的研究趋势进行了展望。

二维WS2是一种层状过渡金属硫化物，因其具有特殊的层状结构、可调带隙及稳定的物理化学性质而备受关注。结合玻尔兹曼输运方程(BTE)和密度泛函理论(DFT)，利用第一性原理研究了单层WS2声子的输运特性，分析了声子的谐性效应和非谐性效应对WS2晶格热导率的影响机理，计算了其声子的临界平均自由程，提出通过调整阻断频率的方法来调控WS2的晶格热导率。研究结果表明：单层WS2在300 K时的本征晶格热导率为149.12 W/(m·K)，且随温度的升高而降低；从各声子支对总热导率的贡献来看，声学声子支起主要作用，特别是纵向声学(longitudinal acoustic, LA)声子支对单层WS2热导率的贡献百分比最大(44.28%)；单层WS2声学声子支和光学声子支之间的较大带隙(声光学声子支之间无散射)导致其具有较高的晶格热导率。本文研究可为基于单层WS2纳米电子器件的设计和改进提供借鉴和理论指导。

层状二维过渡金属硫属化合物是一类重要的二维层状半导体材料。其中MoTe2因其具有较小的禁带宽度和较高的载流子迁移率而备受关注。应用光泵浦-宽谱太赫兹时域光谱系统研究了少层MoTe2薄膜材料的宽谱太赫兹透射谱、光生载流子在皮秒尺度上的动力学过程及其光电导率的变化。应用空气等离子体产生宽谱太赫兹辐射并利用磷化镓晶体探测的方法测量了谱宽在0.2~7.2 THz范围内少层MoTe2薄膜的透过谱, 发现其在3.6、4.6、6.4以及7 THz处存在吸收峰。应用800 nm脉冲光激发少层MoTe2薄膜, 并测量其在皮秒时间尺度上的太赫兹光谱, 得到少层MoTe2薄膜中光生载流子寿命约为1.6 ps。在此基础上进一步研究了不同泵浦-探测时间差下光电导率变化量的实部和虚部。发现随着延迟时间的增加, 电导率变化量实部由约600 Ω-1cm-1到300 Ω-1cm-1逐渐降低, 虚部值约为200 Ω-1cm-1并不随泵浦-探测时间差而明显改变, 这一结果表明少层MoTe2薄膜具有较高的电导率及较长的激子寿命。给出了少层MoTe2薄膜在0.2~7.2 THz波段的吸收谱、光生载流子演化过程及寿命以及少层MoTe2材料光电导率变化量等物理参数, 对设计基于少层MoTe2材料的新型光电器件提供了参考。

快速响应光电探测器在光通信、高速摄影、生物医学成像等领域有广泛的需求。目前, 市场上应用的快速响应光电探测器大多基于硅、砷化镓等传统的无机半导体材料, 但是其制作工艺复杂、成本较高, 并且机械灵活性差。以石墨烯、二硫化钼为代表的二维材料具有独特的层状结构以及良好的光学、电学、热学和机械特性, 是制备光电探测器的理想材料。尤其是部分二维材料所拥有的超高载流子迁移率特性, 十分适用于研制快速响应光电探测器。近年来, 一系列基于二维材料的金属-半导体-金属结构光电探测器(Metal-semiconductor-metal photodetectors,MSM-PDs)被陆续报道, 很多具有1 μs以下的快速响应特性。本文以基于二维材料的快速响应MSM-PDs为主题进行综述。首先介绍了MSM-PDs中的基本结构及工作原理, 深入剖析了决定其响应速度的主要因素。随后介绍了石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷、二维钙钛矿、三元硒氧铋等二维材料的分子结构、光学、电学等特性, 并对各类二维材料在MSM-PDs的应用进行对比。然后分类介绍了响应速度在1 μs以下的欧姆接触型、肖特基接触型以及基于表面等离激元效应二维材料MSM-PDs的研究进展。最后总结全文, 并对二维材料在快速响应光电探测器中的应用前景及发展趋势进行了展望。

二维过渡金属硫化物(TMDC)材料因为独特的激子效应和材料学性质, 在太阳电池、光催化、传感器、柔性电子器件等领域得到广泛的应用。层数对其性质有显著的调控作用, 自动检测识别所需层数的样品是其从实验室走进半导体制造工业的重要技术需求。本文结合反射高光谱成像技术与图像处理算法, 发展了一种二维TMDC薄层样品的显微成像自动检测技术。基于自主搭建的反射高光谱成像系统, 对制备的不同层数TMDC标准样品进行了光学对比度的系统研究, 阐明了层数的差分反射光谱机理, 提出了可靠的层数判定方法。基于传统边缘检测技术优化设计了一套图像处理算法, 实现了TMDC样品的图像检测及层数鉴定。本文方法具有普遍性、实用性, 结合自动对焦的扫描控制, 能够实现大规模的自动化样品检测, 这也为其他表面目标的显微识别和检测提供了新的灵感和参考。

为了更有效地抢占新型资源，各个国家都致力于航空、航天和海洋等空间的探索，以占据最大的优势位置。光电系统在资源占领过程中起决定性作用。针对其核心部件——光电探测器，介绍了量子点、石墨烯、过渡金属硫化物和黑磷等新型探测器材料的基本结构、特点以及发展现状，并就未来发展方向和应用领域进行了预测。

得益于独特的二维量子限制效应以及层与层之间耦合微扰的消除, 石墨烯、过渡金属硫化物MX2(M=Mo,W,Ti,Nb等; X=S,Se,Te等)、黑磷等二维层状半导体材料与其体材料相比, 在电子学、光子学等性能上都有本质的提高。以中国科学院上海光学精密机械研究所近几年的相关研究成果为主要对象, 结合国内外研究进展, 重点介绍了二维材料的制备方法、物理性质和超快非线性光学性能以及相关器件的研究进展, 并对其前景进行了展望。