Two-dimensional (2D) transition metal dichalcogenides have emerged as a promising material system for optoelectronic applications, but their primary figure of merit, the room-temperature photoluminescence quantum yield (QY), is extremely low. The prototypical 2D material molybdenum disulfide (MoS2) is reported to have a maximum QY of 0.6%, which indicates a considerable defect density. Here we report on an air-stable, solution-based chemical treatment by an organic superacid, which uniformly enhances the photoluminescence and minority carrier lifetime of MoS2 monolayers by more than two orders of magnitude. The treatment eliminates defect-mediated nonradiative recombination, thus resulting in a final QY of more than 95%, with a longest-observed lifetime of 10.8 ± 0.6 nanoseconds. Our ability to obtain optoelectronic monolayers with near-perfect properties opens the door for the development of highly efficient light-emitting diodes, lasers, and solar cells based on 2D materials.

Air-stable doping of transition metal dichalcogenides is of fundamental importance to enable a wide range of optoelectronic and electronic devices while exploring their basic material properties. Here we demonstrate the use of benzyl viologen (BV), which has one of the highest reduction potentials of all electron-donor organic compounds, as a surface charge transfer donor for MoS2 flakes. The n-doped samples exhibit excellent stability in both ambient air and vacuum. Notably, we obtained a high electron sheet density of ∼1.2 × 1013 cm–2, which corresponds to the degenerate doping limit for MoS2. The BV dopant molecules can be reversibly removed by immersion in toluene, providing the ability to control the carrier sheet density as well as selective removal of surface dopants on demand. By BV doping of MoS2 at the metal junctions, the contact resistances are shown to be reduced by a factor of >3. As a proof of concept, top-gated field-effect transistors were fabricated with BV-doped n+ source/drain contacts self-aligned with respect to the top gate. The device architecture, resembling that of the conventional Si transistors, exhibited excellent switching characteristics with a subthreshold swing of ∼77 mV/decade.

Printing technologies offer large‐area, high‐throughput production capabilities for electronics and sensors on mechanically flexible substrates that can conformally cover different surfaces. These capabilities enable a wide range of new applications such as low‐cost disposable electronics for health monitoring and wearables, extremely large format electronic displays, interactive wallpapers, and sensing arrays. Solution‐processed carbon nanotubes have been shown to be a promising candidate for such printing processes, offering stable devices with high performance. Here, recent progress made in printed carbon nanotube electronics is discussed in terms of materials, processing, devices, and applications. Research challenges and opportunities moving forward from processing and system‐level integration points of view are also discussed for enabling practical applications.

Gold-mediated exfoliation of ultralarge optoelectronically perfect monolayers with lateral dimensions up to ≈500 μm is reported. Electrical, optical, and X-ray photo-electron spectroscopy characterization show that the quality of the gold-exfoliated flakes is similar to that of tape-exfoliated flakes. Large-area flakes allow manufacturing of large-area mono-layer transition metal dichalcogenide electronics.

Optoelectronic devices based on two-dimensional (2D) materials have shown tremendous promise over the past few years; however, there are still numerous challenges that need to be overcome to enable their application in devices. These include improving their poor photoluminescence (PL) quantum yield (QY) as well as better understanding of exciton-based recombination kinetics. Recently, we developed a chemical treatment technique using an organic superacid, bis(trifluoromethane)sulfonimide (TFSI), which was shown to improve the quantum yield in MoS2 from less than 1% to over 95%. Here, we perform detailed steady-state and transient optical characterization on some of the most heavily studied direct bandgap 2D materials, specifically WS2, MoS2, WSe2, and MoSe2, over a large pump dynamic range to study the recombination mechanisms present in these materials. We then explore the effects of TFSI treatment on the PL QY and recombination kinetics for each case. Our results suggest that sulfur-based 2D materials are amenable to repair/passivation by TFSI, while the mechanism is thus far ineffective on selenium based systems. We also show that biexcitonic recombination is the dominant nonradiative pathway in these materials and that the kinetics for TFSI treated MoS2 and WS2 can be described using a simple two parameter model.

Covalent functionalization of transition metal dichalcogenides (TMDCs) is investigated for air-stable chemical doping. Specifically, p-doping of WSe2 via NOx chemisorption at 150 °C is explored, with the hole concentration tuned by reaction time. Synchrotron based soft X-ray absorption spectroscopy (XAS) and X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) depict the formation of various WSe2–x–yOxNy species both on the surface and interface between layers upon chemisorption reaction. Ab initio simulations corroborate our spectroscopy results in identifying the energetically favorable complexes, and predicting WSe2:NO at the Se vacancy sites as the predominant dopant species. A maximum hole concentration of ∼1019 cm–3 is obtained from XPS and electrical measurements, which is found to be independent of WSe2 thickness. This degenerate doping level facilitates 5 orders of magnitude reduction in contact resistance between Pd, a common p-type contact metal, and WSe2. More generally, the work presents a platform for manipulating the electrical properties and band structure of TMDCs using covalent functionalization.

A 20 × 20 pixel pressure sensor array based on a printed active-matrix single-wall carbon-nanotube thin-film transistor backplane is presented. Using a gravure printing process that is compatible with fully printed large-area roll-to-roll processing, a 97% device yield is obtained on the 400-transistor backplane. As a proof of concept, pressure sensors are integrated to map the applied tactile pressure across the array. As a service to our authors and readers, this journal provides supporting information supplied by the authors. Such materials are peer reviewed and may be re-organized for online delivery, but are not copy-edited or typeset. Technical support issues arising from supporting information (other than missing files) should be addressed to the authors. Please note: The publisher is not responsible for the content or functionality of any supporting information supplied by the authors. Any queries (other than missing content) should be directed to the corresponding author for the article.