Two-dimensional layered materials, such as molybdenum disulfide, are emerging as an exciting material system for future electronics due to their unique electronic properties and atomically thin geometry. Here we report a systematic investigation of MoS2 transistors with optimized contact and device geometry, to achieve self-aligned devices with performance including an intrinsic gain over 30, an intrinsic cut-off frequency fT up to 42 GHz and a maximum oscillation frequency fMAX up to 50 GHz, exceeding the reported values for MoS2 transistors to date (fT~0.9 GHz, fMAX~1 GHz). Our results show that logic inverters or radio frequency amplifiers can be formed by integrating multiple MoS2 transistors on quartz or flexible substrates with voltage gain in the gigahertz regime. This study demonstrates the potential of two-dimensional layered semiconductors for high-speed flexible electronics. Molybdenum disulfide holds great potential for advanced flexible electronic devices. Here, using a transferred gate technique, the authors fabricate molybdenum disulfide-based transistors with optimized device geometry and contact, improving device speed and demonstrating gigahertz circuits with voltage gain.

Two-dimensional layered semiconductors such as molybdenum disulfide (MoS2) have attracted tremendous interest as a new class of electronic materials. However, there are considerable challenges in making reliable contacts to these atomically thin materials. Here we present a new strategy by using graphene as the back electrodes to achieve ohmic contact to MoS2. With a finite density of states, the Fermi level of graphene can be readily tuned by a gate potential to enable a nearly perfect band alignment with MoS2. We demonstrate for the first time a transparent contact to MoS2 with zero contact barrier and linear output behavior at cryogenic temperatures (down to 1.9 K) for both monolayer and multilayer MoS2. Benefiting from the barrier-free transparent contacts, we show that a metal–insulator transition can be observed in a two-terminal MoS2 device, a phenomenon that could be easily masked by Schottky barriers found in conventional metal-contacted MoS2 devices. With further passivation by boron nitride (BN) encapsulation, we demonstrate a record-high extrinsic (two-terminal) field effect mobility up to 1300 cm2/(V s) in MoS2 at low temperature.

Spin-orbit torque (SOT) is an emerging technology that enables the efficient manipulation of spintronic devices. The initial processes of interest in SOTs involved electric fields, spin-orbit coupling, conduction electron spins and magnetization. More recently interest has grown to include a variety of other processes that include phonons, magnons, or heat. Over the past decade, many materials have been explored to achieve a larger SOT efficiency. Recently, holistic design to maximize the performance of SOT devices has extended material research from a nonmagnetic layer to a magnetic layer. The rapid development of SOT has spurred a variety of SOT-based applications. In this Roadmap paper, we first review the theories of SOTs by introducing the various mechanisms thought to generate or control SOTs, such as the spin Hall effect, the Rashba-Edelstein effect, the orbital Hall effect, thermal gradients, magnons, and strain effects. Then, we discuss the materials that enable these effects, including metals, metallic alloys, topological insulators, two-dimensional materials, and complex oxides. We also discuss the important roles in SOT devices of different types of magnetic layers. Afterward, we discuss device applications utilizing SOTs. We discuss and compare three-terminal and two-terminal SOT-magnetoresistive random-access memories (MRAMs); we mention various schemes to eliminate the need for an external field. We provide technological application considerations for SOT-MRAM and give perspectives on SOT-based neuromorphic devices and circuits. In addition to SOT-MRAM, we present SOT-based spintronic terahertz generators, nano-oscillators, and domain wall and skyrmion racetrack memories. This paper aims to achieve a comprehensive review of SOT theory, materials, and applications, guiding future SOT development in both the academic and industrial sectors.

Using 2D materials to detect dissolved gases in transformer oil can effectively evaluate the operating status of power systems. In this study, the Pt and Pd atoms are used to modify InP and GaP monolayers for detecting the target gases (C2H2, C2H4, CH4). The band gaps of modified structures are reduced and became more compact compared to the original substrates. The adsorption characteristics of the target gases on the modified substrates are systematically analyzed through adsorption parameters, DCD and DOS. The adsorption effect of the modified InP monolayers on the target gases is ranked as: C2H2>C2H4>CH4. The adsorption capacity of the modified GaP monolayers to the target gases is: C2H4>C2H2>CH4, however the adsorption capacity of the Pd-GaP/gases system is consistent with that of the modified InP monolayers. The sensitivity and recovery time of every gas adsorption systems are further analyzed. In addition, this study provides a theoretical direction for exploring the application prospects of InP and GaP monolayers in the evaluation of operating conditions of oil-immersed transformers.

The free-field switching of the perpendicular magnetization by the out-of-plane polarized spin current induced spin-orbit torque makes it a promising technology for developing high-density memory and logic devices. The materials intrinsically with low symmetry are generally utilized to generate the spin current with out-of-plane spin polarization. However, the generation of the out-of-plane polarized spin current by engineering the symmetry of materials has not yet been reported. Here, we demonstrate that paramagnetic CaRuO3 films are able to generate out-of-plane polarized spin current by engineering the crystal symmetry. The non-uniform oxygen octahedral tilt/rotation along film's normal direction induced by oxygen octahedral coupling near interface breaks the screw-axis and glide-plane symmetries, which gives rise to a significant out-of-plane polarized spin current. This spin current can drive field-free spin-orbit torque switching of perpendicular magnetization with high efficiency. Our results offer a promising strategy based on crystal symmetry design to manipulate spin current and could have potential applications in advanced spintronic devices. The authors realize generation of out-of-plane polarized spin current in perovskite oxide CaRuO3 with reduced crystal symmetry by engineering the oxygen octahedra, which can drive efficient field-free switching of perpendicular magnetization.

The superior anti-oxidation layer induced by the PVA-boehmite sol-gel film on the AISI304 steel during the cyclic oxidation is investigated in this work. The moderate PVA addition in the boehmite sol conduces to increase the film thickness and is beneficial to the adhesion between the film and the substrate. The presence of the PVA-boehmite film leads to a significant reduction in mass gain during the high-temperature cyclic oxidation at 800°C, demonstrating the enhanced oxidation resistance. The generated oxide layer induced by the PVA-boehmite film presents as a thin, compact, and continuous layer without spalling, offering sustainable protection against oxidation etching. The PVA-boehmite film promotes the preferential formation of the corundum (Al, Cr)2O3 phase rather than the detrimental hematite Fe2O3 phase during the oxidation procedure, which facilitates the development of the above compact oxide layer. Finally, the superior anti-oxidation oxide layer is characterized as a novel dual-layer structure: the outer spinel MnCr2O4 layer and the inner corundum (Al, Cr)2O3 layer, effectively delaying the oxidation process.