作为一种典型的二维半导体材料,单层二硫化钼具有众多优异的性质,包括良好的机械性能与稳定性,极高的柔韧性与透明度,以及合适大小的直接带隙等。因此,二硫化钼不仅适用于低维体系中基础科学问题的研究,而且在电子学与光电子学领域具有非常广阔的应用前景。然而,单层二硫化钼走向实际应用主要受限于较低的载流子迁移率。近年来,研究人员试图通过各种手段提高二硫化钼的迁移率,例如提高薄膜结晶度,优化接触质量,以及通过提高介质层的质量增强栅控能力等,因此二硫化钼器件电学性能的进一步提升是十分关键的科学问题。本文以单层二硫化钼为核心材料,通过直写加工、取代掺杂,以及转角堆叠的方法,对二硫化钼进行物性调控,由此提高二硫化钼及其电子学器件的质量。本论文的主要内容包括以下三个部分:1.二维材料的图案化直写加工技术。利用电动位移系统,通过金属针尖在二维材料表面的机械刮擦,实现样品的直写图案化加工。以晶圆级尺寸单层二硫化钼为代表,直写加工可以得到各种大面积的图案化薄膜,并且加工后的样品具有洁净的表面和锐利的边界。进一步将直写加工的二硫化钼条带作为沟道材料,结合转移电极的方法,可以制备出无曝光的高质量晶体管器件,这种器件具有超级干净的表面与界面。而且器件表现出良好的电学性能,室温下其场效应迁移率和电流开关比分别高达50.7 cm2V-1s-1和1010。直写加工技术的精度能够达到约1μm,操作简单且成本低廉,对于不同衬底上的各种二维材料均适用,为二维材料的图案化加工与器件制备提供了新策略。2.单层二硫化钼的氧取代掺杂与性能调控。利用化学气相沉积的方法,实现两英寸晶圆级单层二硫化钼的原位氧取代掺杂,得到均匀的单层氧硫化钼薄膜。氧硫化钼中的掺杂浓度可控,能够通过生长过程中通入腔体的氧气流量调节,掺杂浓度随着氧气流量的增加而升高。超快红外光谱测试与第一性原理计算均表明,单层氧硫化钼的带隙随着掺杂程度的增强而减小,并且能带结构由直接带隙转变为间接带隙。基于氧硫化钼薄膜的场效应晶体管与逻辑器件,展示出优异的电学性能,尤其是场效应迁移率得到了提高。单层二硫化钼的氧取代掺杂为电子学器件性能的优化提供了材料基础。3.高定向单层二硫化钼的转角堆叠。通过化学气相沉积的生长方法,在蓝宝石衬底上制备出具有弱结合力的晶圆级尺寸高定向单层二硫化钼薄膜。利用水辅助转移的方法,将弱结合力且高定向的二硫化钼从原始的衬底上剥离下来,逐层转移至目标衬底,能够制备出厘米级的叠层二硫化钼同质结,并且可以实现层与层之间转角的精确控制。层间转角可以调制叠层二硫化钼薄膜的光谱学与电学性质,在30°转角堆叠的情况下,二硫化钼的层间耦合最弱,解耦合使得二硫化钼晶体管具有更加优异的电学性能。该工作有望为低维转角电子学与光电子学开辟道路。