一、历史背景与发展脉络
半导体材料的发展经历了从第一代到第三代的演变，而二维半导体材料作为新兴领域，自2004年石墨烯的发现后逐渐成为研究热点。传统半导体材料以硅（Si）和锗（Ge）为代表的第一代材料主导了集成电路产业；第二代化合物半导体（如砷化镓GaAs）则在光电子和通信领域崭露头角；第三代宽禁带半导体（如碳化硅SiC、氮化镓GaN）因高温、高频特性被用于新能源和5G领域。然而，随着器件微型化和柔性电子需求的增加，传统半导体材料的物理极限逐渐显现，二维半导体材料因其原子级厚度、优异的电学与光学特性成为突破方向。
二维半导体材料的研究始于石墨烯，但其零带隙特性限制了其在逻辑器件中的应用。随后，过渡金属二硫族化合物（TMDCs，如MoS₂、WS₂）被发现具有可调带隙（1-2 eV），成为二维半导体的代表。2010年后，单层MoS₂晶体管的成功制备标志着二维半导体进入实用化阶段。近年来，中国在二维材料研究领域处于国际前列，例如西湖大学孔玮团队在蓝宝石基底上实现单晶二硫化钼外延生长的突破，为大规模工业化应用奠定基础。
二、基本原理与结构特性
1. 原子层结构与电子性质
二维半导体材料通常由单层或几层原子构成，例如MoS₂的“三明治”结构（S-Mo-S层），其厚度仅0.7纳米。这种结构赋予材料以下特性：
- 量子限域效应：电子在二维平面内运动受限，导致带隙从间接（体材料）转变为直接（单层），显著增强光吸收与发射效率。
- 高表面积体积比：表面原子占比高，对外界环境敏感，适用于传感器开发。
- 柔性机械性能：可承受大弯曲应变，适合柔性电子器件。
2. 界面相互作用与生长机制
二维材料的性能高度依赖基底与生长技术。例如，蓝宝石（α-Al₂O₃）因其六方对称性与MoS₂晶格匹配，常用于外延生长。西湖大学团队发现，界面处的周期性MoO₃分子层通过范德华力增强材料与基底的耦合，从而提升单晶质量。此外，莫尔超晶格（Moiré superlattice）的构建（如转角堆叠的WSe₂/MoSe₂异质结）可调控激子行为，实现光电器件性能的优化。
三、核心应用领域
1. 光电子器件
- 发光二极管（LED）与激光器：单层TMDCs的直接带隙特性使其成为高效发光材料。例如，转角WS₂/MoSe₂异质结中莫尔激子的杂化效应可用于制备低阈值纳米激光阵列。
- 光电探测器：二维材料的高光吸收率（如MoS₂可达5-10%）和快速响应时间（微秒级）适用于可见光至红外波段探测。
2. 柔性电子与可穿戴设备
二维材料的机械柔韧性使其在柔性显示屏、电子皮肤等领域具有潜力。瑞士洛桑联邦理工学院开发的二硫化钼内存处理器，仅3个原子厚，可弯折且能耗极低，为可穿戴设备提供新方案。
