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1 引言 随着微观量子理论的形成，以及过去几十年对于低维物理的研究，从量子点，量子线到量子阱，超晶格，人们发现了许多奇异的特性，像整数量子霍尔效应，表面效应等，于是大量的研究工作开始围绕着低维物理展开。从理论到实践，这一领域已经欣欣向荣，尤其是二维材料。二维材料从石墨烯开始得到广泛研究，2004 年，英国曼彻斯特大学的 Andre Geim研究组首次通过机械剥离的方法制得单层石墨烯[1]，表明了单层二维材料在常温常压下稳定存在的可能性。石墨烯的结构是六角型蜂巢晶格，碳原子之间通过 sp2 进行连接。石墨烯之所以被广泛研究，是因为它一系列奇异的物理性质——在石墨烯晶面中，电子的运动速度可达 106m/s，远超过其在一般导体或半导体中的运动速度；它的载流子迁移率较高，超过碳纳米管；其常温下的电阻率很低，是目前已知的电阻率最小的纳米材料[2]。正是这样的奇异特性使得其在多个领域拥有广阔的前景，包括电子元件，太阳能电池等。 图 1.1 石墨烯结构 在石墨烯之后，科研工作者对于二维材料的研究投入了大量的精力[3]。2009年，M. Bieri和 M. Treier第一次在实验室合成出具有孔状结构的单层二维多孔石墨烯材料(PG)。在国内的发展也有一定的突破。2012 年，中科院物理所吴克辉、陈歲副研究员首次在 Ag(lll)表面上利用分子束外延方法生长出硅稀，并观测到了硅烯的晶体结构是类似石墨烯的褶皱蜂巢。目前国内外对于二维材料或者异质结的研究主要有以下几类，包括石墨烯家族，过渡金属硫化物(TMD)，类石墨烯家族(多孔石墨烯，六方氮化硼等)，硅烯(锗烯)，二维金属氧化物等。石墨烯家族 石墨烯，白石墨烯 h-BN，BCN，石墨烯氧化物 二维过渡金属硫化物 金属硫化物 MoS2, WS2, MoSe2, WSe2; 半导体硫化物 MoTe2, WTe2, ZrS2, ZrSe2; 金属硫化物 NbSe2，NbS2，TaS2，TiS2，NiS2 二维氧化物 MoO3, WO3, TiO2, MnO2, V2O5 其他 硅烯，锗烯，黑磷， 我们研究二维材料或者异质结材料，是因为其所显示出来的各种奇异物理化学特性[4,5]。
首先得理解单层材料有的效应，异质结材料也会有，以下主要从光学性质和电子性质做一些说明。在电子性质方面，二维纳米材料自然会有量子尺寸效应，小尺寸效应，表面效应，宏观量子隧道效应。比如表面效应，其特定结构决定了它具有相对巨大的比表面积，如石墨稀的比表面积的理论值达到 2630mm2，相当于一个足球场的大小，高的比表面积意着高的表面化学活性，因此在纳米电子方面也有着巨大的应用前景。在光学性质方面，二维纳米材料对电磁波有非凡的吸收作用，电磁波的波长从紫外到红外均有较大吸收能力，可作为隐形材料以及辐射屏蔽，还可以作为光催化材料等。 源Z自-751+文/论^文]网[www.751com.cn然而，深入的研究表明并不是所有的单层纳米薄片都是具有一定功能的完美材料。比如石墨烯缺少带隙，而 h-BN 的带隙过大，以至于在电子学和光学领域上应用受到一定的限制；g-C3N4 作为一种光催化材料被广泛研究，但是它的量子效率需要不断改善，而且它的光生电子——空穴的复合率高，也进一步限制了它作为光电材料的应用；PG也不是一种理想的光催化材料，因为它只能在紫外线范围内有光催化活性。 鉴于此，科研工作者将目光转向范德华异质结的研究[6,7,8,9,10,11]，范德华异质结构研究的出发点是希望通过综合各单层材料的优点带来电子学和光学性质方面的改进，这已在理论和实验被发现。如与石墨烯相比，h-BN /石墨烯的电子质量增加了 10倍，石墨烯/g-C3N4双层的可见光响应， MoS2/WS2的超快电荷转移， WS2/ rGO范德华异质结作为催化剂，以及MoS2/p-Si用于太阳能等。本次课题研究的异质结材料也是仿造这种思路，可以有效的结合两种二维材料的优势，主要考量它在光催化和光电子材料方面的应用。 从作为高效的光催化材料角度而言，该异质结需要使得材料带隙与可见光光谱相吻合、导价带能级位要和反应物电极电位相吻合，此外还要注意材料的化学稳定性和量子效率的保证。几年来，光催化薄膜材料分解水制氢的太阳能转换效率逐步提升，可见利用光催化薄膜