Due to its high carrier mobility, broadband absorption, and fast response time, the semi-metallic graphene is attractive for optoelectronics. Another two-dimensional semiconducting material molybdenum disulfide (MoS2) is also known as light- sensitive. Here we show that a large-area and continuous MoS2 monolayer is achievable using a CVD method and graphene is transferable onto MoS2. We demonstrate that a photodetector based on the graphene/MoS2 heterostructure is able to provide a high photogain greater than 10(8). Our experiments show that the electron-hole pairs are produced in the MoS2 layer after light absorption and subsequently separated across the layers. Contradictory to the expectation based on the conventional built-in electric field model for metal-semiconductor contacts, photoelectrons are injected into the graphene layer rather than trapped in MoS2 due to the presence of a perpendicular effective electric field caused by the combination of the built-in electric field, the applied electrostatic field, and charged impurities or adsorbates, resulting in a tuneable photoresponsivity.

All-solid-state flexible supercapacitors based on a carbon/MnO(2) (C/M) core-shell fiber structure were fabricated with high electrochemical performance such as high rate capability with a scan rate up to 20 V s(-1), high volume capacitance of 2.5 F cm(-3), and an energy density of 2.2 × 10(-4) Wh cm(-3). By integrating with a triboelectric generator, supercapacitors could be charged and power commercial electronic devices, such as a liquid crystal display or a light-emitting-diode, demonstrating feasibility as an efficient storage component and self-powered micro/nanosystems.

Two-dimensional layered semiconductors present a promising material platform for band-to-band-tunneling devices given their homogeneous band edge steepness due to their atomically flat thickness. Here, we experimentally demonstrate interlayer band-to-band tunneling in vertical MoS2/WSe2 van der Waals (vdW) heterostructures using a dual-gate device architecture. The electric potential and carrier concentration of MoS2 and WSe2 layers are independently controlled by the two symmetric gates. The same device can be gate modulated to behave as either an Esaki diode with negative differential resistance, a backward diode with large reverse bias tunneling current, or a forward rectifying diode with low reverse bias current. Notably, a high gate coupling efficiency of ∼80% is obtained for tuning the interlayer band alignments, arising from weak electrostatic screening by the atomically thin layers. This work presents an advance in the fundamental understanding of the interlayer coupling and electron tunneling in semiconductor vdW heterostructures with important implications toward the design of atomically thin tunnel transistors.

Infrared photodetectors are currently subject to a rapidly expanding application space, with an increasing demand for compact, sensitive and inexpensive detectors. Despite continued advancement, technological factors limit the widespread usage of such detectors, specifically, the need for cooling and the high costs associated with processing of iii–v/ii–vi semiconductors. Here, black phosphorous (bP)/MoS2 heterojunction photodiodes are explored as mid-wave infrared (MWIR) detectors. Although previous studies have demonstrated photodiodes using bP, here we significantly improve the performance, showing that such devices can be competitive with conventional MWIR photodetectors. By optimizing the device structure and light management, we demonstrate a two-terminal device that achieves room-temperature external quantum efficiencies (ηe) of 35% and specific detectivities (D*) as high as 1.1 × 1010 cm Hz1/2 W−1 in the MWIR region. Furthermore, by leveraging the anisotropic optical properties of bP we demonstrate the first bias-selectable polarization-resolved photodetector that operates without the need for external optics. Black phosphorus/molybdenum disulfide mid-wave infrared photodiodes with external quantum efficiencies of 35% across 2.5–3.5 μm at room temperature and a peak detectivity of 1.1 × 1010 cm Hz1/2 W–1 at 3.8 μm are demonstrated.

Over the past several years, the inherent scaling limitations of electron devices have fueled the exploration of high carrier mobility semiconductors as a Si replacement to further enhance the device performance. In particular, compound semiconductors heterogeneously integrated on Si substrates have been actively studied, combining the high mobility of III-V semiconductors and the well-established, low cost processing of Si technology. This integration, however, presents significant challenges. Conventionally, heteroepitaxial growth of complex multilayers on Si has been explored. Besides complexity, high defect densities and junction leakage currents present limitations in the approach. Motivated by this challenge, here we utilize an epitaxial transfer method for the integration of ultrathin layers of single-crystalline InAs on Si/SiO2 substrates. As a parallel to silicon-on-insulator (SOI) technology14,we use the abbreviation "XOI" to represent our compound semiconductor-on-insulator platform. Through experiments and simulation, the electrical properties of InAs XOI transistors are explored, elucidating the critical role of quantum confinement in the transport properties of ultrathin XOI layers. Importantly, a high quality InAs/dielectric interface is obtained by the use of a novel thermally grown interfacial InAsOx layer (~1 nm thick). The fabricated FETs exhibit an impressive peak transconductance of ~1.6 mS/{\mu}m at VDS=0.5V with ON/OFF current ratio of greater than 10,000 and a subthreshold swing of 107-150 mV/decade for a channel length of ~0.5 {\mu}m.

Abstract In recent years, there has been tremendous progress in the research and development of printable electronics on mechanically flexible substrates based on inorganic active components, which provide high performances and stable device operations at low cost. In this regard, various approaches have been developed for the direct transfer or printing of micro‐ and nanoscale, inorganic semiconductors on substrates. In this review article, we focus on the recent advancements in the large‐scale integration of single crystalline, inorganic‐nanowire (NW) arrays for electronic and sensor applications, specifically involving the contact printing of NWs at defined locations. We discuss the advantages, limitations, and the state‐of‐the‐art of this technology, and present an integration platform for future printable, heterogeneous‐sensor circuitry based on NW parallel arrays.

Temperature-dependent I-V and C-V spectroscopy of single InAs nanowire field-effect transistors were utilized to directly shed light on the intrinsic electron transport properties as a function of nanowire radius. From C-V characterizations, the densities of thermally-activated fixed charges and trap states on the surface of untreated (i.e., without any surface functionalization) nanowires are investigated while enabling the accurate measurement of the gate oxide capacitance; therefore, leading to the direct assessment of the field-effect mobility for electrons. The field-effect mobility is found to monotonically decrease as the radius is reduced to sub-10 nm, with the low temperature transport data clearly highlighting the drastic impact of the surface roughness scattering on the mobility degradation for miniaturized nanowires. More generally, the approach presented here may serve as a versatile and powerful platform for in-depth characterization of nanoscale, electronic materials.

Optical properties of highly ordered Ge nanopillar arrays are tuned through shape and geometry control to achieve the optimal absorption efficiency. Increasing the Ge materials filling ratio is shown to increase the reflectance while simultaneously decreasing the transmittance, with the absorbance showing a strong diameter dependency. To enhance the broad band optical absorption efficiency, a novel dual-diameter nanopillar structure is presented, with a small diameter tip for minimal reflectance and a large diameter base for maximal effective absorption coefficient. The enabled single-crystalline absorber material with a thickness of only 2 μm exhibits an impressive absorbance of ∼99% over wavelengths, λ = 300−900 nm. These results enable a viable and convenient route toward shape-controlled nanopillar-based high-performance photonic devices.

Metal-catalyzed crystallization of amorphous carbon to graphene by thermal annealing is demonstrated. In this “limited source” process scheme, the thickness of the precipitated graphene is directly controlled by the thickness of the initial amorphous carbon layer. This is in contrast to chemical vapor deposition processes, where the carbon source is virtually unlimited and controlling the number of graphene layers depends on the tight control over a number of deposition parameters. Based on the Raman analysis, the quality of graphene is comparable to other synthesis methods found in the literature, such as chemical vapor deposition. The ability to synthesize graphene sheets with tunable thickness over large areas presents an important progress toward their eventual integration for various technological applications.