半导体技术作为现代信息技术的支撑性技术,有着非常广泛的应用基础。然而,随着半导体器件的尺度不断减小,芯片的集成度大幅上升,半导体技术已经逐渐逼近传统硅工艺的极限,人们迫切需要开拓有着更优异性质的半导体材料,从计算的物理基础和体系结构上突破发展瓶颈。近年来,对过渡金属二硫化物(TMDCs)材料的深入研究发现,该半导体材料在有着非常优异的光电性质,依靠其独特的直接带隙结构和二维异质结有望在未来的高性能光电器件、光计算及仿生计算中得到实际应用。本文基于二维TMDCs面内异质结的光电特性,研究了其在超快时间尺度下的电荷转移与耗尽区特性,为未来将二维半导体异质结在光计算中的应用提供了重要依据。文章的创新点可概括为:1、自主搭建时空分辨的微区瞬态吸收光学测试系统,自行设计系统主控程序软件,该系统同时集成了时间分辨、空间分辨和光谱分辨能力,时间分辨率可达350 fs,空间分辨率小于1μm,光谱分辨能力可达1 nm,可全方位多角度研究半导体材料在超快时间尺度下的多种效应与载流子的弛豫特性,极大地提高了对半导体材料载流子特性的研究能力。2、细致研究了在常温,低注入条件下二维TMDCs中的光生载流子的超快动力学过程,借助光谱分辨明确了二维TMDCs面内异质结在空间各个位置的荧光光谱和瞬态吸收光谱,发现了在异质结界面处存在着原子交换作用所形成的合金组分。瞬态吸收成像显示在交界处由于两侧材料的掺杂不同所引起的宽度在200 nm左右的耗尽区。这种天然形成的有着优异光电响应的异质结构非常适合用于未来的光计算领域。3、通过空间成像的方式,动态表征了在超快时间尺度下,光生载流子在实空间的扩散与电荷交换过程,耗尽区与能带对载流子动力学行为的影响。对比当前的国内外对二维TMDCs面内异质结的研究,本文首次以成像的方式证明在面内异质结交界面处存在耗尽区与电荷转移行为,对未来该种异质结走向应用提供实验依据。4、分析了光生载流子在TMDCs面内异质结界面处的动力学过程与输运机制,依照载流子弛豫模型提取了电荷转移过程的关键参数,为未来对该种材料的进一步研究打下了实验基础。