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自石墨烯、氮化硼、黑磷等二维薄膜材料陆陆续续被发现以来，性能优异的二维薄膜材料制备及应用研发在科研和产业界都掀起了势不可挡的研究热潮。二维过渡金属化合物材料因其带隙连续可调等优势，可弥补石墨烯在半导体产业应用中的先天不足，而成为二维薄膜材料研究领域中的重点。二维薄膜材料的一体化研究过程，始终贯穿着以下几个研究过程:首先通过理论预测新材料的结构以及性质，其次从实验上成功制备出相应材料以及对其结构性能进行表征并和理论预测进行对比研究，接着探索实现大批量、产业化制备路径，最后对相应的材料推广到实际应用领域并市场化，如功能器件或者能源转换与存储等。基于此，我的博士研究主要基于相关过渡金属二维薄膜材料的制备与研究，开展了以下三个方面的工作:1）新型过渡金属二维薄膜材料的制备研究;2）过渡金属低维薄膜材料的宏量制备研究;3）有机无机低维纳米材料与半金属基底间的界面相互作用研究等。在整个博士阶段的科研过程中，分别利用了分子束外延生长结束和物理/化学气相沉积技术生长、制备二维纳米材料，接着基于同步辐射衍射技术（上海光源）、光电子能谱技术、原子力显微镜技术和第一性原理(DFT)计算等实验和理论方法，对原位制备的低维以及准二维过渡金属薄膜材料的内部结构、外部形貌和理化性能等进行了表征，并结合材料性能探讨了这些新材料在光电器件和能源催化等领域的应用潜力。
主要工作可以归纳如下:
1)在镍箔表面，利用分子束外延生长法和后续退火方法将箔表面镍原子直接硒化，制备出新型二维二硒化镍薄膜，并利用原位X射线光电子能谱、同步辐射X射线衍射、扫描电子显微镜等表征手段，研究了二硒化镍低维薄膜在镍箔上的生长过程。研究发现，在室温情况下当硒原子在外延生长在镍箔表面时，一部分硒原子已经开始与Ni原子发生反应，而界面上的化学产物也随着后续反应温度的升高而逐渐发生变化，Se-Ni化合物经历了从NiSe到Ni3Se2，最终到NiSe2的反应过程。之后，结合DFT理论计算验证了产物的稳定性以及1T相的晶体结构等。该工作提出了一个通过外延生长以及调控反应温度的手段来调控Se/Ni界面间化合物的新思路与方法，为如何制备高质量的二维NiSe2薄膜材料提供了有意义的指导。
2)利用物理气相沉积技术，发展了一种简单方便且成本低廉的制备方法，获得了高质量大尺寸的层状α-MoO3晶体。主要利用原子力显微镜、X射线光电子能谱、同步辐射X射线衍射、拉曼光谱等表征技术，对制备的大尺寸晶体进行了综合表征。从测试结果得到如下结论:相比较于传统方法，通过一步法物理气相沉积法制备的层状α-MoO3晶体具有结晶质量高、层状结构好的优势。最后，针对合成的单晶具有良好层状结构以高度结晶的特点，通过电致变色实验以及测试其电导率，发现该材料具有优异的光学以及电学性能，从而拓展了该材料在纳米传感器以及光电子器件等领域的潜在应用。
3)从低维有机无机材料与衬底金属界面间相互作用机理出发，通过原位X射线光电子能谱表征技术，研究了低维酞菁钴薄膜材料在Bi(111)半金属衬底表面上的电子结构以及界面间相互作用等。结合DFT理论计算，发现，酞菁钴分子主要是通过中心钴原子的3d未填满轨道与衬底的铋原子发生电荷转移以及相互作用;中心钴原子与衬底铋原子存在轨道杂化导致的强吸附，而分子中的其他原子以及共轭环结构并没有太多参与到界面的相互作用中。通过该基础研究，探索了影响低维有机无机薄膜在半金属基底上吸附的关键因素，对低维薄膜材料在相关器件应用中的机制理解有一定的指导意义。
主要工作可以归纳如下:
1)在镍箔表面，利用分子束外延生长法和后续退火方法将箔表面镍原子直接硒化，制备出新型二维二硒化镍薄膜，并利用原位X射线光电子能谱、同步辐射X射线衍射、扫描电子显微镜等表征手段，研究了二硒化镍低维薄膜在镍箔上的生长过程。研究发现，在室温情况下当硒原子在外延生长在镍箔表面时，一部分硒原子已经开始与Ni原子发生反应，而界面上的化学产物也随着后续反应温度的升高而逐渐发生变化，Se-Ni化合物经历了从NiSe到Ni3Se2，最终到NiSe2的反应过程。之后，结合DFT理论计算验证了产物的稳定性以及1T相的晶体结构等。该工作提出了一个通过外延生长以及调控反应温度的手段来调控Se/Ni界面间化合物的新思路与方法，为如何制备高质量的二维NiSe2薄膜材料提供了有意义的指导。
2)利用物理气相沉积技术，发展了一种简单方便且成本低廉的制备方法，获得了高质量大尺寸的层状α-MoO3晶体。主要利用原子力显微镜、X射线光电子能谱、同步辐射X射线衍射、拉曼光谱等表征技术，对制备的大尺寸晶体进行了综合表征。从测试结果得到如下结论:相比较于传统方法，通过一步法物理气相沉积法制备的层状α-MoO3晶体具有结晶质量高、层状结构好的优势。最后，针对合成的单晶具有良好层状结构以高度结晶的特点，通过电致变色实验以及测试其电导率，发现该材料具有优异的光学以及电学性能，从而拓展了该材料在纳米传感器以及光电子器件等领域的潜在应用。
3)从低维有机无机材料与衬底金属界面间相互作用机理出发，通过原位X射线光电子能谱表征技术，研究了低维酞菁钴薄膜材料在Bi(111)半金属衬底表面上的电子结构以及界面间相互作用等。结合DFT理论计算，发现，酞菁钴分子主要是通过中心钴原子的3d未填满轨道与衬底的铋原子发生电荷转移以及相互作用;中心钴原子与衬底铋原子存在轨道杂化导致的强吸附，而分子中的其他原子以及共轭环结构并没有太多参与到界面的相互作用中。通过该基础研究，探索了影响低维有机无机薄膜在半金属基底上吸附的关键因素，对低维薄膜材料在相关器件应用中的机制理解有一定的指导意义。