Two-dimensional (2D) materials, such as molybdenum disulfide (MoS2), have been shown to exhibit excellent electrical and optical properties. The semiconducting nature of MoS2 allows it to overcome the shortcomings of zero-bandgap graphene, while still sharing many of graphene's advantages for electronic and optoelectronic applications. Discrete electronic and optoelectronic components, such as field-effect transistors, sensors and photodetectors made from few-layer MoS2 show promising performance as potential substitute of Si in conventional electronics and of organic and amorphous Si semiconductors in ubiquitous systems and display applications. An important next step is the fabrication of fully integrated multi-stage circuits and logic building blocks on MoS2 to demonstrate its capability for complex digital logic and high-frequency ac applications. This paper demonstrates an inverter, a NAND gate, a static random access memory, and a five-stage ring oscillator based on a direct-coupled transistor logic technology. The circuits comprise between two to twelve transistors seamlessly integrated side-by-side on a single sheet of bilayer MoS2. Both enhancement-mode and depletion-mode transistors were fabricated thanks to the use of gate metals with different work functions.

Hexagonal boron nitride (h-BN) is very attractive for many applications, particularly, as protective coating, dielectric layer/substrate, transparent membrane, or deep ultraviolet emitter. In this work, we carried out a detailed investigation of h-BN synthesis on Cu substrate using chemical vapor deposition (CVD) with two heating zones under low pressure (LP). Previous atmospheric pressure (AP) CVD syntheses were only able to obtain few layer h-BN without a good control on the number of layers. In contrast, under LPCVD growth, monolayer h-BN was synthesized and time-dependent growth was investigated. It was also observed that the morphology of the Cu surface affects the location and density of the h-BN nucleation. Ammonia borane is used as a BN precursor, which is easily accessible and more stable under ambient conditions than borazine. The h-BN films are characterized by atomic force microscopy, transmission electron microscopy, and electron energy loss spectroscopy analyses. Our results suggest that the growth here occurs via surface-mediated growth, which is similar to graphene growth on Cu under low pressure. These atomically thin layers are particularly attractive for use as atomic membranes or dielectric layers/substrates for graphene devices.

Gallium nitride (GaN) is a compound semiconductor that has tremendous potential to facilitate economic growth in a semiconductor industry that is silicon-based and currently faced with diminishing returns of performance versus cost of investment. At a material level, its high electric field strength and electron mobility have already shown tremendous potential for high frequency communications and photonic applications. Advances in growth on commercially viable large area substrates are now at the point where power conversion applications of GaN are at the cusp of commercialisation. The future for building on the work described here in ways driven by specific challenges emerging from entirely new markets and applications is very exciting. This collection of GaN technology developments is therefore not itself a road map but a valuable collection of global state-of-the-art GaN research that will inform the next phase of the technology as market driven requirements evolve. First generation production devices are igniting large new markets and applications that can only be achieved using the advantages of higher speed, low specific resistivity and low saturation switching transistors. Major investments are being made by industrial companies in a wide variety of markets exploring the use of the technology in new circuit topologies, packaging solutions and system architectures that are required to achieve and optimise the system advantages offered by GaN transistors. It is this momentum that will drive priorities for the next stages of device research gathered here.

We engineered functional cardiac patches by seeding neonatal rat cardiomyocytes onto carbon nanotube (CNT)-incorporated photo-cross-linkable gelatin methacrylate (GelMA) hydrogels. The resulting cardiac constructs showed excellent mechanical integrity and advanced electrophysiological functions. Specifically, myocardial tissues cultured on 50 μm thick CNT-GelMA showed 3 times higher spontaneous synchronous beating rates and 85% lower excitation threshold, compared to those cultured on pristine GelMA hydrogels. Our results indicate that the electrically conductive and nanofibrous networks formed by CNTs within a porous gelatin framework are the key characteristics of CNT-GelMA leading to improved cardiac cell adhesion, organization, and cell-cell coupling. Centimeter-scale patches were released from glass substrates to form 3D biohybrid actuators, which showed controllable linear cyclic contraction/extension, pumping, and swimming actuations. In addition, we demonstrate for the first time that cardiac tissues cultured on CNT-GelMA resist damage by a model cardiac inhibitor as well as a cytotoxic compound. Therefore, incorporation of CNTs into gelatin, and potentially other biomaterials, could be useful in creating multifunctional cardiac scaffolds for both therapeutic purposes and in vitro studies. These hybrid materials could also be used for neuron and other muscle cells to create tissue constructs with improved organization, electroactivity, and mechanical integrity.

Advanced beyond-silicon electronic technology requires both channel materials and also ultralow-resistance contacts to be discovered1,2. Atomically thin two-dimensional semiconductors have great potential for realizing high-performance electronic devices1,3. However, owing to metal-induced gap states (MIGS)4-7, energy barriers at the metal-semiconductor interface-which fundamentally lead to high contact resistance and poor current-delivery capability-have constrained the improvement of two-dimensional semiconductor transistors so far2,8,9. Here we report ohmic contact between semimetallic bismuth and semiconducting monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) where the MIGS are sufficiently suppressed and degenerate states in the TMD are spontaneously formed in contact with bismuth. Through this approach, we achieve zero Schottky barrier height, a contact resistance of 123 ohm micrometres and an on-state current density of 1,135 microamps per micrometre on monolayer MoS2; these two values are, to the best of our knowledge, the lowest and highest yet recorded, respectively. We also demonstrate that excellent ohmic contacts can be formed on various monolayer semiconductors, including MoS2, WS2 and WSe2. Our reported contact resistances are a substantial improvement for two-dimensional semiconductors, and approach the quantum limit. This technology unveils the potential of high-performance monolayer transistors that are on par with state-of-the-art three-dimensional semiconductors, enabling further device downscaling and extending Moore's law.

Recently, monolayers of layered transition metal dichalcogenides (LTMD), such as MX2 (M = Mo, W and X = S, Se), have been reported to exhibit significant spin-valley coupling and optoelectronic performances because of the unique structural symmetry and band structures. Monolayers in this class of materials offered a burgeoning field in fundamental physics, energy harvesting, electronics, and optoelectronics. However, most studies to date are hindered by great challenges on the synthesis and transfer of high-quality LTMD monolayers. Hence, a feasible synthetic process to overcome the challenges is essential. Here, we demonstrate the growth of high-quality MS2 (M = Mo, W) monolayers using ambient-pressure chemical vapor deposition (APCVD) with the seeding of perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid tetrapotassium salt (PTAS). The growth of a MS2 monolayer is achieved on various surfaces with a significant flexibility to surface corrugation. Electronic transport and optical performances of the as-grown MS2 monolayers are comparable to those of exfoliated MS2 monolayers. We also demonstrate a robust technique in transferring the MS2 monolayer samples to diverse surfaces, which may stimulate the progress on the class of materials and open a new route toward the synthesis of various novel hybrid structures with LTMD monolayer and functional materials.

Two-dimensional (2D) materials have generated great interest in the past few years as a new toolbox for electronics. This family of materials includes, among others, metallic graphene, semiconducting transition metal dichalcogenides (such as MoS2), and insulating boron nitride. These materials and their heterostructures offer excellent mechanical flexibility, optical transparency, and favorable transport properties for realizing electronic, sensing, and optical systems on arbitrary surfaces. In this paper, we demonstrate a novel technology for constructing large-scale electronic systems based on graphene/molybdenum disulfide (MoS2) heterostructures grown by chemical vapor deposition. We have fabricated high-performance devices and circuits based on this heterostructure, where MoS2 is used as the transistor channel and graphene as contact electrodes and circuit interconnects. We provide a systematic comparison of the graphene/MoS2 heterojunction contact to more traditional MoS2-metal junctions, as well as a theoretical investigation, using density functional theory, of the origin of the Schottky barrier height. The tunability of the graphene work function with electrostatic doping significantly improves the ohmic contact to MoS2. These high-performance large-scale devices and circuits based on this 2D heterostructure pave the way for practical flexible transparent electronics.

Photoluminescence (PL) properties of single-layer MoS2 are indicated to have strong correlations with the surrounding dielectric environment. Blue shifts of up to 40 meV of exciton or trion PL peaks were observed as a function of the dielectric constant of the environment. These results can be explained by the dielectric screening effect of the Coulomb potential; based on this, a scaling relationship was developed with the extracted electronic band gap and exciton and trion binding energies in good agreement with theoretical estimations. It was also observed that the trion/exciton intensity ratio can be tuned by at least 1 order of magnitude with different dielectric environments. Our findings are helpful to better understand the tightly bound exciton properties in strongly quantum-confined systems and provide a simple approach to the selective and separate generation of excitons or trions with potential applications in excitonic interconnects and valleytronics.

Hexagonal boron nitride (h-BN) is a promising material as a dielectric layer or substrate for two-dimensional electronic devices. In this work, we report the synthesis of large-area h-BN film using atmospheric pressure chemical vapor deposition on a copper foil, followed by Cu etching and transfer to a target substrate. The growth rate of h-BN film at a constant temperature is strongly affected by the concentration of borazine as a precursor and the ambient gas condition such as the ratio of hydrogen and nitrogen. h-BN films with different thicknesses can be achieved by controlling the growth time or tuning the growth conditions. Transmission electron microscope characterization reveals that these h-BN films are polycrystalline, and the c-axis of the crystallites points to different directions. The stoichiometry ratio of boron and nitrogen is close to 1:1, obtained by electron energy loss spectroscopy. The dielectric constant of h-BN film obtained by parallel capacitance measurements (25 μm2 large areas) is 2–4. These CVD-grown h-BN films were integrated as a dielectric layer in top-gated CVD graphene devices, and the mobility of the CVD graphene device (in the few thousands cm2/(V·s) range) remains the same before and after device integration.