A quantum spin Hall (QSH) insulator is a novel two-dimensional quantum state of matter that features quantized Hall conductance in the absence of magnetic field, resulting from topologically protected dissipationless edge states that bridge the energy gap opened by band inversion and strong spin-orbit coupling. By investigating electronic structure of epitaxially grown monolayer 1T'-WTe2 using angle-resolved photoemission (ARPES) and first principle calculations, we observe clear signatures of the topological band inversion and the band gap opening, which are the hallmarks of a QSH state. Scanning tunneling microscopy measurements further confirm the correct crystal structure and the existence of a bulk band gap, and provide evidence for a modified electronic structure near the edge that is consistent with the expectations for a QSH insulator. Our results establish monolayer 1T'-WTe2 as a new class of QSH insulator with large band gap in a robust two-dimensional materials family of transition metal dichalcogenides (TMDCs).

Abstract Black TiO 2 attracts enormous attention due to its large solar absorption and induced excellent photocatalytic activity. Herein, a new approach assisted by hydrogen plasma to synthesize unique H‐doped black titania with a core/shell structure (TiO 2 @TiO 2‐ x H x ) is presented, superior to the high H 2 ‐pressure process (under 20 bar for five days). The black titania possesses the largest solar absorption (≈83%), far more than any other reported black titania (the record (high‐pressure): ≈30%). H doping is favorable to eliminate the recombination centers of light‐induced electrons and holes. High absorption and low recombination ensure the excellent photocatalytic activity for the black titania in the photo‐oxidation of organic molecules in water and the production of hydrogen. The H‐doped amorphous shell is proposed to play the same role as Ag or Pt loading on TiO 2 nanocrystals, which induces the localized surface plasma resonance and black coloration. Photocatalytic water splitting and cleaning using TiO 2‐ x H x is believed to have a bright future for sustainable energy sources and cleaning environment.

Utilizing solar energy for hydrogen generation and water cleaning is a great challenge due to insufficient visible-light power conversion. Here we report a mass production approach to synthesize black titania by aluminium reduction. The obtained sample possesses a unique crystalline core–amorphous shell structure (TiO2@TiO2−x). The black titania absorbs ∼65% of the total solar energy by improving visible and infrared absorption, superior to the recently reported ones (∼30%) and pristine TiO2 (∼5%). The unique core–shell structure (TiO2@TiO2−x) and high absorption boost the photocatalytic water cleaning and water splitting. The black titania is also an excellent photoelectrochemical electrode exhibiting a high solar-to-hydrogen efficiency (1.7%). A large photothermic effect may enable black titania “capture” solar energy for solar thermal collectors. The Al-reduced amorphous shell is proved to be an excellent candidate to absorb more solar light and receive more efficient photocatalysis.

We report that Bi₂Se₃ thin films can be epitaxially grown on SrTiO₃ substrates, which allow for very large tunablity in carrier density with a back gate. The observed low field magnetoconductivity due to weak antilocalization (WAL) has a very weak gate-voltage dependence unless the electron density is reduced to very low values. Such a transition in WAL is correlated with unusual changes in longitudinal and Hall resistivities. Our results suggest a much suppressed bulk conductivity at large negative gate voltages and a possible role of surface states in the WAL phenomena.

Carbon quantum dots (CQDs) have been intensively investigated due to their interesting electrochemical and photoluminescent properties. Here, we report a novel method for large-scale preparation of heavy doped CQDs with tunable photoluminescence. In the present synthetic process, the carbon nanoparticles from Chinese ink were oxidized and cut simultaneously using a mature process to obtain oxidized-CQDs as precursors, and then the heteroatom (N, S or Se) doped CQDs were obtained by a one-step hydrothermal reduction and in situ doping treatment. The heavy doped CQDs are just 1–6 nm size, and have improved photoluminescence with different emission wavelengths, higher quantum yield, longer lifetime and good photostability. Further experiments suggested that these N and S doped CQDs were very sensitive for the detection of Cu2+ and Hg2+, respectively.

Modification of rutile titanium dioxide (TiO2) for hydrogen generation and water cleaning is a grand challenge due to the chemical inertness of rutile, while such inertness is a desired merit for its stability in photoelectrochemical applications. Herein, we report an innovative two-step method to prepare a core-shell nanostructured S-doped rutile TiO2 (R'-TiO2-S). This modified black rutile TiO2 sample exhibits remarkably enhanced absorption in visible and near-infrared regions and efficient charge separation and transport. As a result, the unique sulfide surface (TiO(2-x):S) boosts the photocatalytic water cleaning and water splitting with a steady solar hydrogen production rate of 0.258 mmol h(-1) g(-1). The black titania is also an excellent photoelectrochemical electrode exhibiting a high solar-to-hydrogen conversion efficiency of 1.67%. The sulfided surface shell is proved to be an effective strategy for enhancing solar light absorption and photoelectric conversion.

Graphene has initiated intensive research efforts on 2D crystalline materials due to its extraordinary set of properties and the resulting host of possible applications. Here the authors report on the controllable large‐scale synthesis of C 3 N, a 2D crystalline, hole‐free extension of graphene, its structural characterization, and some of its unique properties. C 3 N is fabricated by polymerization of 2,3‐diaminophenazine. It consists of a 2D honeycomb lattice with a homogeneous distribution of nitrogen atoms, where both N and C atoms show a D 6h ‐symmetry. C 3 N is a semiconductor with an indirect bandgap of 0.39 eV that can be tuned to cover the entire visible range by fabrication of quantum dots with different diameters. Back‐gated field‐effect transistors made of single‐layer C 3 N display an on–off current ratio reaching 5.5 × 10 10 . Surprisingly, C 3 N exhibits a ferromagnetic order at low temperatures (<96 K) when doped with hydrogen. This new member of the graphene family opens the door for both fundamental basic research and possible future applications.

Nonmetal-doped black titania is achieved in a core–shell structure by a two-step synthesis. The nonmetal dopants in amorphous TiO2−x shells decrease e–h recombination centers, and more than 6.6 at.% N further improves solar energy absorption from 65% up to 85%. The photocatalytic H2 generation of the N-doped black titania is 15.0 mmol h−1 g−1 under 100 mW cm−2 of full-sunlight and 200 μmol h−1 g−1 under 90 mW cm−2 of visible-light irradiation, superior to TiO2−x and reported titania photocatalysis.

Hexagonal boron nitride (h-BN) has attracted significant attention because of its superior properties as well as its potential as an ideal dielectric layer for graphene-based devices. The h-BN films obtained via chemical vapour deposition in earlier reports are always polycrystalline with small grains because of high nucleation density on substrates. Here we report the successful synthesis of large single-crystal h-BN grains on rational designed Cu–Ni alloy foils. It is found that the nucleation density can be greatly reduced to 60 per mm2 by optimizing Ni ratio in substrates. The strategy enables the growth of single-crystal h-BN grains up to 7,500 μm2, approximately two orders larger than that in previous reports. This work not only provides valuable information for understanding h-BN nucleation and growth mechanisms, but also gives an effective alternative to exfoliated h-BN as a high-quality dielectric layer for large-scale nanoelectronic applications. High nucleation density has thus far limited the quality and grain size of CVD-grown hexagonal boron nitride. Here, by optimizing the Ni ratio in Cu–Ni substrates, the authors successfully reduce nucleation density and report single-crystal hexagonal boron nitride grains up to 7500 μm2.