2004年,英国曼彻斯特大学的杰姆(Andre Geim)和诺沃肖洛夫(Konstantin Novoselov)首次利用机械剥离法获得石墨烯(graphene),掀起了二维材料研究的热潮。研究表明石墨烯具有高迁移率以及高电/热导率等优势,被广泛应用于透明导电薄膜、超级电容器等。然而石墨烯的零带隙特性使其难以形成开关状态,严重地限制了其在半导体领域的应用。近年来,过渡金属硫族化合物(TMDCs)由于其丰富的带隙结构、大的非线性系数以及快速的载流子复合速率,已经被广泛应用于光电领域。另外,在无悬挂键表面以及弱的范德华层间相互作用下,通过TMDCs之间的相互叠加,结合不同材料之间的优异性能,增强电子轨道耦合,可以得到无晶格失配的范德瓦尔斯(vdWs)异质结。作为TMDCs家族中重要的一员,二碲化钼(molybdenum ditelluride,MoTe2)以其高的载流子迁移率、大的光电转化效率以及与硅类似的带隙结构,在可见至近红外波段表现出良好的光响应能力,受到了研究者们的广泛关注。另外,理论计算表明2H-MoTe2与1T’-MoTe2之间具有较小的能量差,可以借助简单的方法实现二者之间的相转变,为新型低功耗器件提供了可能性。本论文以MoTe2为主要研究对象,从2H-MoTe2体块单晶生长出发,对其光电性能以及太赫兹波段的调制性能展开研究,设计了具有超灵敏宽带调制性能的MoTe2/Si异质结太赫兹全光调制器,利用THz-TDS系统以及超快激光泵浦探测系统深入探索了光致MoTe2半导体-金属相变的载流子动力学过程。主要内容如下:1、2H-MoTe2体块单晶生长以及基本性能表征采用助熔剂法进行2H-MoTe2体块单晶生长,Te作为助熔剂以避免引入外来杂质。晶体生长过程中采用高温(1180℃)和低温(850℃)两种生长温度条件,分别得到2H-MoTe2单晶,并利用XRD、XPS以及Raman光谱等手段对其基本性质进行表征。通过高分辨透射电子显微镜(TEM)、选区电子衍射(SAED)以及劳埃(Laue)衍射对其结构进行表征,结果表明在高温下生长得到的晶体质量较差,而低温下生长的晶体质量明显得到提高。该现象主要原因是由于高温生长时,晶体会首先生长为1T’-MoTe2,降温时发生相变而形成2H-MoTe2,这种生长过程中的结构转变最终导致晶体质量变差。另外低温下生长得到的晶体形状呈现较为规则的六边形,与其六方晶系结构相一致。生长得到的晶体最大尺寸可达4×4×1 mm3,XRD结果表明晶体自然生长面为{002}晶面族,即晶体沿c轴方向层状堆积。2、2H-MoTe2光电性能表征为了进一步比较两种生长条件下得到的晶体质量,分别使用高温和低温条件下生长的MoTe2晶体制备得到场效应晶体管器件,对其电学以及光电性能进行表征。实验结果证明,高温下得到的2H-MoTe2晶体的场效应迁移率仅为3.4 cm2·V-1·s-1,而低温下生长得到的晶体其场效应迁移率可达53.4 cm2·V-1·s-1,提高了 18倍左右,是目前为止所报道的本征2H-MoTe2的最大场效应迁移率。另外光响应测试结果表明低温下生长得到的晶体具有更高的开关比、光响应度R以及外量子效率EQE,其中R以及EQE均提高了 10倍左右。3、基于MoTe2/Si范德瓦尔斯异质结的太赫兹全光调制器2H-MoTe2与Si具有相近的能带结构,本文提出一种MoTe2/Si异质结全光太赫兹调制器。采用太赫兹时域光谱系统研究其太赫兹调制性能,结果表明该器件能够达到最大99.9%的调制深度(MD)。器件表现出超高的灵敏度,即可以在300 mW的低泵浦功率下实现99.9%的最高调制深度。其优点在于可以有效地降低器件的功耗,避免由于高功率激光产生的热效应对器件性能所带来的影响。另外,MoTe2/Si调制器的还具有0.3-2.0 THz的宽带调制性能。通过能带理论分析发现MoTe2/Si调制器具有优越的太赫兹调制性能的主要原因在于,2H-MoTe2具有和Si相似的能带结构,且当二者形成异质结时具有较小的导/价带差,更易于电子与空穴的传输。因此可以在较低的泵浦功率下实现高浓度的载流子聚集,有效的提高器件的电导率。4、光致MoTe2半导体-金属相变及其载流子动力学本论文采用808nm的半导体激光对2H-MoTe2纳米片进行连续照射,通过控制光照时间来实现2H-1T’相MoTe2的转变。首先采用TEM、Raman光谱以及XPS等手段验证了不同光照时间下样品的状态,结果表明MoTe2纳米片在光照1Omin左右开始出现1T’相的特征,在25min左右相变完成。利用THz-TDS系统对样品的电导率、载流子散射率和迁移率进行表征,结果表明发生了半导体-金属相变。利用超快激光泵浦探测系统对其瞬态载流子动力学进行研究,差分反射光谱由基态漂白信号到激发态吸收信号的转变揭示了半导体-金属的相变过程中样品能带结构的变化一带隙重整(BGR)现象。最后通过角分辨泵浦探测系统对样品光照前后的结构变化进行研究,验证了相变前后晶体结构对称性的破缺。另外,通过对光致1T’-MoTe2和本征1T’-MoTe2载流子弛豫时间的对比,证实了相变过程中Te空位的产生。