Band gap engineering of atomically thin two-dimensional layered materials is critical for their applications in nanoelectronics, optoelectronics, and photonics. Here we report, for the first time, a simple one-step chemical vapor deposition approach for the simultaneous growth of alloy MoS2xSe2(1–x) triangular nanosheets with complete composition tunability. Both the Raman and the photoluminescence studies show tunable optical properties consistent with composition of the alloy nanosheets. Importantly, all samples show a single bandedge emission peak, with the spectral peak position shifting from 668 nm (for pure MoS2) to 795 nm (for pure MoSe2), indicating the high quality for these complete composition alloy nanosheets. These band gap engineered 2D structures could open up an exciting opportunity for probing their fundamental physical properties in 2D and may find diverse applications in functional electronic/optoelectronic devices.

Abstract High-quality two-dimensional atomic layered p–n heterostructures are essential for high-performance integrated optoelectronics. The studies to date have been largely limited to exfoliated and restacked flakes, and the controlled growth of such heterostructures remains a significant challenge. Here we report the direct van der Waals epitaxial growth of large-scale WSe 2 /SnS 2 vertical bilayer p–n junctions on SiO 2 /Si substrates, with the lateral sizes reaching up to millimeter scale. Multi-electrode field-effect transistors have been integrated on a single heterostructure bilayer. Electrical transport measurements indicate that the field-effect transistors of the junction show an ultra-low off-state leakage current of 10 −14 A and a highest on–off ratio of up to 10 7 . Optoelectronic characterizations show prominent photoresponse, with a fast response time of 500 μs, faster than all the directly grown vertical 2D heterostructures. The direct growth of high-quality van der Waals junctions marks an important step toward high-performance integrated optoelectronic devices and systems.

2D Molybdenum disulfide (MoS 2 ) is a promising candidate material for high‐speed and flexible optoelectronic devices, but only with low photoresponsivity. Here, a large enhancement of photocurrent response is obtained by coupling few‐layer MoS 2 with Au plasmonic nanostructure arrays. Au nanoparticles or nanoplates placed onto few‐layer MoS 2 surface can enhance the local optical field in the MoS 2 layer, due to the localized surface plasmon (LSP) resonance. After depositing 4 nm thick Au nanoparticles sparsely onto few‐layer MoS 2 phototransistors, a doubled increase in the photocurrent response is observed. The photocurrent of few‐layer MoS 2 phototransistors exhibits a threefold enhancement with periodic Au nanoarrays. The simulated optical field distribution confirms that light can be trapped and enhanced near the Au nanoplates. These findings offer an avenue for practical applications of high performance MoS 2 ‐based optoelectronic devices or systems in the future.

Two-dimensional (2D) layered transition metal dichalcogenides (TMDs) have recently emerged as a new class of atomically thin semiconductors for diverse electronic, optoelectronic, and valleytronic applications. To explore the full potential of these 2D semiconductors requires a precise control of their band gap and electronic properties, which represents a significant challenge in 2D material systems. Here we demonstrate a systematic control of the electronic properties of 2D-TMDs by creating mixed alloys of the intrinsically p-type WSe2 and intrinsically n-type WS2 with variable alloy compositions. We show that a series of WS2xSe2–2x alloy nanosheets can be synthesized with fully tunable chemical compositions and optical properties. Electrical transport studies using back-gated field effect transistors demonstrate that charge carrier types and threshold voltages of the alloy nanosheet transistors can be systematically tuned by adjusting the alloy composition. A highly p-type behavior is observed in selenium-rich alloy, which gradually shifts to lightly p-type, and then switches to lightly n-type characteristics with the increasing sulfur atomic ratio, and eventually evolves into highly n-doped semiconductors in sulfur-rich alloys. The synthesis of WS2xSe2–2x nanosheets with tunable optical and electronic properties represents a critical step toward rational design of 2D electronics with tailored spectral responses and device characteristics.

Even though the nonlinear optical effects of solution processed organic–inorganic perovskite films have been studied, the nonlinear optical properties in two-dimensional (2D) perovskites, especially their applications for ultrafast photonics, are largely unexplored. In comparison to bulk perovskite films, 2D perovskite nanosheets with small thicknesses of a few unit cells are more suitable for investigating the intrinsic nonlinear optical properties because bulk recombination of photocarriers and the nonlinear scattering are relatively small. In this research, we systematically investigated the nonlinear optical properties of 2D perovskite nanosheets derived from a combined solution process and vapor phase conversion method. It was found that 2D perovskite nanosheets have stronger saturable absorption properties with large modulation depth and very low saturation intensity compared with those of bulk perovskite films. Using an all dry transfer method, we constructed a new type of saturable absorber device based on single piece 2D perovskite nanosheet. Stable soliton state mode-locking was achieved, and ultrafast picosecond pulses were generated at 1064 nm. This work is likely to pave the way for ultrafast photonic and optoelectronic applications based on 2D perovskites.

Directional growth of ultralong nanowires (NWs) is significant for practical application of large-scale optoelectronic integration. Here, we demonstrate the controlled growth of in-plane directional perovskite CsPbBr3 NWs, induced by graphoepitaxial effect on annealed M-plane sapphire substrates. The wires have a diameter of several hundred nanometers, with lengths up to several millimeters. Microstructure characterization shows that CsPbBr3 NWs are high-quality single crystals, with smooth surfaces and well-defined cross section. The NWs have very strong band-edge photoluminescence (PL) with a long PL lifetime of ∼25 ns and can realize high-quality optical waveguides. Photodetectors constructed on these individual NWs exhibit excellent photoresponse with an ultrahigh responsivity of 4400 A/W and a very fast response speed of 252 μs. This work presents an important step toward scalable growth of high-quality perovskite NWs, which will provide promising opportunities in constructing integrated nanophotonic and optoelectronic systems.

Alloying 3d transition metals with Pt has been discovered as an effective strategy to boost the catalytic activity in oxygen reduction reaction (ORR), which, however, often raises the insufficient catalyst durability issue due to rapid leaching of the 3d metal elements. To overcome this issue and realize enhancements in both the activity and the durability properties, here we report a new catalytic structure based on PtGa ultrathin alloy nanowires (NWs), which feature an unconventional strong p-d hybridization interaction. Relative to commercial Pt catalyst, the optimum Pt4.31Ga NWs catalyst exhibited 10.5- and 12.1-fold enhancement in the ORR mass activity and specific activity, respectively. Particularly, the Pt4.31Ga NWs catalyst showed only 15.8% loss in the mass activity after 30 000 cycles of durability test, as compared to a big decrease of 79.6% for the commercial Pt catalyst. Our mechanistic studies find a strong p-d hybridization interaction between Ga and Pt that accounts for the improved ORR performance via synergistically optimizing the surface electronic structure, enhancing the oxidation resistance of Pt, and suppressing the leaching of lattice Ga. We believe this work provides new perspectives to design active and durable electrocatalysts toward ORR.

The reduced graphene oxide (RGO)-based composites have attracted intensive attention in research due to its superior performance as photocatalysts, but still lacking is the theoretical understanding on the interactions between constituents, as well as the connection between such interaction and the enhanced photoactivity. Herein, the interaction between the g-C3N4 and RGO sheets is systematically explored by using state-of-the-art hybrid density functional theory. We demonstrate that the O atom plays a crucial role in the RGO-based composites. Compared to the isolated g-C3N4 monolayer, the band gap of composites obviously decreases, and at higher O concentration, the levels in the vicinity of Fermi level are much more dispersive, indicating the smaller effective mass of the carrier. These changes are nonlinear on the O concentration. Interestingly, appropriate O concentration alters the direct-gap composite to indirect-gap one. Most importantly, at a higher O concentration, a type-II, staggered band alignment can be obtained in the g-C3N4-RGO interface, and negatively charged O atoms in the RGO are active sites, leading to the high hydrogen-evolution activity. Furthermore, the calculated absorption spectra which vary with the O concentration shed light on different experimental results. The findings pave the way for developing RGO-based composites for photocatalytic applications.