人类文明的发展离不开材料科学的进步。如今的人类社会正处于信息时代,材料科学得到了空前的发展。单晶硅材料的制备和加工技术的产生,促进了大规模集成电路的发展;半导体化合物的崛起,推动了微电子和光电子领域的进步;高温高强度结构材料的突破,打开了宇航工业的大门。可以看出,材料科学是高新技术发展的基础,是一个国家工业和科技实力的重要体现。在众多材料中,纳米材料作为一种具有独特物理、化学性质的材料,逐渐广泛地被应用在信息技术、电化学物理及生命科学等领域。在纳米材料中,自2004年石墨烯材料首次通过机械剥离的方法被成功制备出来,以石墨烯为代表的二维原子晶体材料的研究开始飞速发展,在过去的十年中已成为化学、物理学、材料科学和光电子学等领域的重要研究对象。二维过渡族金属硫族化合物（2D TMDCs）作为新一代的二维材料,被誉为“无机石墨烯”,具备优越的物理特性如:具有较大的直接带隙、带隙容易调节、载流子迁移率高、激子结合能大、机械性能良好和工业化制备成本低等。近年来被广泛地应用在催化、量子逻辑门、纠缠光子源、自旋电子器件、气体传感器和光伏器件等研究领域中。对于半导体器件,材料中的激子、含电激子、双激子和载流子等激发态物种对材料特性及器件性能有着决定性的影响。然而,人们对二维材料的超快光物理特性研究的历史不长,其中仍有很多物理现象没有得到准确解释,其深层物理特性还有待进一步研究。因此,需要我们对2D TMDCs材料中的激发态物种的光物理性质有更深入的理解,从而在推动2D TMDCs材料在未来更广泛的应用。本论文主要利用飞秒瞬态吸收光谱技术,研究了基于CVD技术制备的两种典型的2D TMDCs材料:单层MoS2和单层WS2的超快光物理特性。本论文主要内容如下:1.在量子信息与量子计算中,构建量子相干态是至关重要的一步,其中由半导体材料中的双激子构建量子相干态系统,由于其具有稳定性高、易于集成为器件等优势,具有很大的应用潜力。我们利用强泵浦-弱探测及强泵浦-强探测飞秒瞬态吸收光谱技术,对单层MoS2材料双激子的光物理特性进行了详细的解析。强泵浦-弱探测飞秒瞬态吸收光谱数据表明,高激发光子能量可以诱导单层MoS2在B激子态上产生双激子。进一步对材料进行强泵浦-强探测飞秒瞬态吸收光谱测试可以发现,双激子可以在A、B激子态上同时产生,且它们的结合能随着时间的推移逐渐耗散。随着探测光吸收光子通量的提高,双激子在激发态物种中数量的占比逐渐增加。此外,通过对飞秒瞬态吸收光谱拟合,我们证实了短程相互作用在双激子-双激子湮灭过程中起主导作用。这些研究成果丰富了人们对2D TMDCs材料中双激子物理性质的认识,有助于拓宽人们在基于2D TMDCs的量子逻辑门和纠缠光子源等领域的应用。2.热载流子的存在可显著提高光探测器、太阳电池光电器件和光催化过程效率。但在目前已研究的半导体材料中,热载流子寿命大都小于1皮秒,在实际应用中难以利用,因此减缓热载流子的冷却速度对有效地利用热载流子具有十分重要的意义。我们利用飞秒瞬态吸收光谱技术,对单层MoS2的超快热载流子动力学展开了深入研究。通过对飞秒瞬态吸收光谱分析研究发现,热载流子可以同时出现在单层MoS2的不同激子态中,且热载流子的寿命可以延长到数皮秒。对于C激子态,通过提高泵浦光的光子能量来增加热载流子的初始能量,热载流子冷却寿命将会由于热声子瓶颈效应的存在而逐渐延长。在载流子初始能量较低时,热载流子可由高密度载流子诱导的俄歇加热效应产生。当这两种效应同时存在时,俄歇复合过程将会使热载流子密度的增加趋势受到限制,进而导致热声子瓶颈效应对热载流子冷却寿命的延长作用减弱。由于单层MoS2具有丰富的能带结构,在A/B激子态中也能观察到类似的热载流子冷却的现象,且A/B激子态上的热载流子与C激子态上的热载流子冷却过程相互影响。这些研究结果阐明了在复杂能带结构体系中的热载流子特性,有助于推动2D TMDCs在光电探测、催化等领域的进一步发展。3.半导体材料中的热载流子可以提高其光电器件的性能。事实上,其中的核心在于热载流子冷却和扩散过程,这些过程决定了热载流子是否可以在材料界面上被有效地提取。我们通过飞秒瞬态吸收光谱技术,对单层WS2的C激子态上的热载流子冷却及扩散过程进行了详细研究。实验结果表明,由于热声子瓶颈效应的存在,单层WS2的C激子态上的热载流子冷却寿命将会随着热载流子密度的增加而逐渐延长到数皮秒。此外,热载流子的瞬态吸收光谱特征也与普通载流子有明显区别,这表明热载流子和载流子的吸收系数不同。最后,我们建立了一个修正的兰纳-琼斯（Modified Lennard-Jones）模型,利用该模型拟合了瞬态吸收光谱特征漂白峰位随时间的移动过程,研究了热载流子的扩散特性,并估计了热载流子的平均距离。这些研究结果拓宽了人们对2D TMDCs热载流子冷却及扩散过程的认识,有利于推动基于2D TMDCs热载流子的器件的应用。