Superlattices have attracted great interest because their use may make it possible to modify the spectra of two-dimensional electron systems and, ultimately, create materials with tailored electronic properties. In previous studies (see, for example, refs 1-8), it proved difficult to realize superlattices with short periodicities and weak disorder, and most of their observed features could be explained in terms of cyclotron orbits commensurate with the superlattice. Evidence for the formation of superlattice minibands (forming a fractal spectrum known as Hofstadter's butterfly) has been limited to the observation of new low-field oscillations and an internal structure within Landau levels. Here we report transport properties of graphene placed on a boron nitride substrate and accurately aligned along its crystallographic directions. The substrate's moiré potential acts as a superlattice and leads to profound changes in the graphene's electronic spectrum. Second-generation Dirac points appear as pronounced peaks in resistivity, accompanied by reversal of the Hall effect. The latter indicates that the effective sign of the charge carriers changes within graphene's conduction and valence bands. Strong magnetic fields lead to Zak-type cloning of the third generation of Dirac points, which are observed as numerous neutrality points in fields where a unit fraction of the flux quantum pierces the superlattice unit cell. Graphene superlattices such as this one provide a way of studying the rich physics expected in incommensurable quantum systems and illustrate the possibility of controllably modifying the electronic spectra of two-dimensional atomic crystals by varying their crystallographic alignment within van der Waals heterostuctures.

Graphene multilayers are grown epitaxially on single crystal silicon carbide. This system is composed of several graphene layers of which the first layer is electron doped due to the built-in electric field and the other layers are essentially undoped. Unlike graphite the charge carriers show Dirac particle properties (i.e. an anomalous Berry’s phase, weak anti-localization and square root field dependence of the Landau level energies). Epitaxial graphene shows quasi-ballistic transport and long coherence lengths; properties that may persist above cryogenic temperatures. Paradoxically, in contrast to exfoliated graphene, the quantum Hall effect is not observed in high-mobility epitaxial graphene. It appears that the effect is suppressed due to the absence of localized states in the bulk of the material. Epitaxial graphene can be patterned using standard lithography methods and characterized using a wide array of techniques. These favorable features indicate that interconnected room temperature ballistic devices may be feasible for low-dissipation high-speed nanoelectronics.

Crystal structure imperfections in solids often act as efficient carrier trapping centres, which, when suitably isolated, act as sources of single photon emission. The best known examples of such attractive imperfections are well-width or composition fluctuations in semiconductor heterostructures (resulting in the formation of quantum dots) and coloured centres in wide-bandgap materials such as diamond. In the recently investigated thin films of layered compounds, the crystal imperfections may logically be expected to appear at the edges of commonly investigated few-layer flakes of these materials exfoliated on alien substrates. Here, we report comprehensive optical micro-spectroscopy studies of thin layers of tungsten diselenide (WSe2), a representative semiconducting dichalcogenide with a bandgap in the visible spectral range. At the edges of WSe2 flakes (transferred onto Si/SiO2 substrates) we discover centres that, at low temperatures, give rise to sharp emission lines (100 μeV linewidth). These narrow emission lines reveal the effect of photon antibunching, the unambiguous attribute of single photon emitters. The optical response of these emitters is inherently linked to the two-dimensional properties of the WSe2 monolayer, as they both give rise to luminescence in the same energy range, have nearly identical excitation spectra and have very similar, characteristically large Zeeman effects. With advances in the structural control of edge imperfections, thin films of WSe2 may provide added functionalities that are relevant for the domain of quantum optoelectronics.

Multilayer epitaxial graphene is investigated using far infrared transmission experiments in the different limits of low magnetic fields and high temperatures. The cyclotron-resonance-like absorption is observed at low temperature in magnetic fields below 50 mT, probing the nearest vicinity of the Dirac point. The carrier mobility is found to exceed 250,000 cm2/(V x s). In the limit of high temperatures, the well-defined Landau level quantization is observed up to room temperature at magnetic fields below 1 T, a phenomenon unusual in solid state systems. A negligible increase in the width of the cyclotron resonance lines with increasing temperature indicates that no important scattering mechanism is thermally activated.

Far infrared transmission experiments are performed on ultrathin epitaxial graphite samples in a magnetic field. The observed cyclotron resonance-like and electron-positron-like transitions are in excellent agreement with the expectations of a single-particle model of Dirac fermions in graphene, with an effective velocity of c=1.03 x 10(6) m/s.

Many layered materials can be cleaved down to individual atomic planes, similar to graphene, but only a small minority of them are stable under ambient conditions. The rest react and decompose in air, which has severely hindered their investigation and potential applications. Here we introduce a remedial approach based on cleavage, transfer, alignment, and encapsulation of air-sensitive crystals, all inside a controlled inert atmosphere. To illustrate the technology, we choose two archetypal two-dimensional crystals that are of intense scientific interest but are unstable in air: black phosphorus and niobium diselenide. Our field-effect devices made from their monolayers are conductive and fully stable under ambient conditions, which is in contrast to the counterparts processed in air. NbSe2 remains superconducting down to the monolayer thickness. Starting with a trilayer, phosphorene devices reach sufficiently high mobilities to exhibit Landau quantization. The approach offers a venue to significantly expand the range of experimentally accessible two-dimensional crystals and their heterostructures.

We study the evolution of the band-gap structure in few-layer MoTe$_2$ crystals, by means of low-temperature micro-reflectance (MR) and temperature-dependent photoluminescence (PL) measurements. The analysis of the measurements indicate that, in complete analogy with other semiconducting transition metal dichalchogenides (TMDs), the dominant PL emission peaks originate from direct transitions associated to recombination of excitons and trions. When we follow the evolution of the PL intensity as a function of layer thickness, however, we observe that MoTe$_2$ behaves differently from other semiconducting TMDs investigated earlier. Specifically, the exciton PL yield (integrated PL intensity) is identical for mono and bilayer and it starts decreasing for trilayers. A quantitative analysis of this behavior and of all our experimental observations is fully consistent with mono and bilayer MoTe$_2$ being direct band-gap semiconductors, with tetralayer MoTe$_2$ being an indirect gap semiconductor, and with trilayers having nearly identical direct and indirect gaps.This conclusion is different from the one reached for other recently investigated semiconducting transition metal dichalcogenides, for which only monolayers are found to be direct band-gap semiconductors, with thicker layers having indirect band gaps that are significantly smaller, by hundreds of meV, than the direct gap. We discuss the relevance of our findings for experiments of fundamental interest and possible future device applications.

Local laser excitation and temperature readout from the intensity ratio of Stokes to anti-Stokes Raman scattering signals are employed to study the thermal properties of a large graphene membrane. The concluded value of the heat conductivity coefficient κ ≈ 600 W/(m·K) is smaller than previously reported but still validates the conclusion that graphene is a very good thermal conductor.

We present optical spectroscopy (photoluminescence and reflectance) studies of thin layers of the transition metal dichalcogenide WSe2, with thickness ranging from mono- to tetra-layer and in the bulk limit. The investigated spectra show the evolution of excitonic resonances as a function of layer thickness, due to changes in the band structure and, importantly, due to modifications of the strength of Coulomb interactions as well. The observed temperature-activated energy shift and broadening of the fundamental direct exciton are well accounted for by standard formalisms used for conventional semiconductors. A large increase of the photoluminescence yield with temperature is observed in a WSe2 monolayer, indicating the existence of competing radiative channels. The observation of absorption-type resonances due to both neutral and charged excitons in the WSe2 monolayer is reported and the effect of the transfer of oscillator strength from charged to neutral excitons upon an increase of temperature is demonstrated.

We study the carrier dynamics in epitaxially grown graphene in the range of photon energies from 10 to 250 meV. The experiments complemented by microscopic modeling reveal that the carrier relaxation is significantly slowed down as the photon energy is tuned to values below the optical-phonon frequency; however, owing to the presence of hot carriers, optical-phonon emission is still the predominant relaxation process. For photon energies about twice the value of the Fermi energy, a transition from pump-induced transmission to pump-induced absorption occurs due to the interplay of interband and intraband processes.