The development of probes for single-molecule imaging has dramatically facilitated the study of individual molecules in cells and other complex environments. Single-molecule probes ideally exhibit good brightness, uninterrupted emission, resistance to photobleaching, and minimal spectral overlap with cellular autofluorescence. However, most single-molecule probes are imperfect in several of these aspects, and none have been shown to possess all of these characteristics. Here we show that individual lanthanide-doped upconverting nanoparticles (UCNPs)—specifically, hexagonal phase NaYF 4 (β-NaYF 4 ) nanocrystals with multiple Yb 3+ and Er 3+ dopants—emit bright anti-Stokes visible upconverted luminescence with exceptional photostability when excited by a 980-nm continuous wave laser. Individual UCNPs exhibit no on/off emission behavior, or “blinking,” down to the millisecond timescale, and no loss of intensity following an hour of continuous excitation. Amphiphilic polymer coatings permit the transfer of hydrophobic UCNPs into water, resulting in individual water-soluble nanoparticles with undiminished photophysical characteristics. These UCNPs are endocytosed by cells and show strong upconverted luminescence, with no measurable anti-Stokes background autofluorescence, suggesting that UCNPs are ideally suited for single-molecule imaging experiments.

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.

We fabricated hexagonal graphene nanomeshes (GNMs) with sub-10 nm ribbon width. The fabrication combines nanoimprint lithography, block-copolymer self-assembly for high-resolution nanoimprint template patterning, and electrostatic printing of graphene. Graphene field-effect transistors (GFETs) made from GNMs exhibit very different electronic characteristics in comparison with unpatterned GFETs even at room temperature. We observed multiplateaus in the drain current−gate voltage dependence as well as an enhancement of ON/OFF current ratio with reduction of the average ribbon width of GNMs. These effects are attributed to the formation of electronic subbands and a bandgap in GNMs. Such mesoscopic graphene structures and the nanofabrication methods could be employed to construct future electronic devices based on graphene superlattices.

Nonlinear effects in two-dimensional (2D) atomic layered materials have recently attracted increasing interest. Phenomena such as nonlinear optical edge response, chiral electroluminescence, and valley and spin currents beyond linear orders have opened up a great opportunity to expand the functionalities and potential applications of 2D materials. Here we report the first observation of strong optical second-harmonic generation (SHG) in monolayer GaSe under nonresonant excitation and emission condition. Our experiments show that the nonresonant SHG intensity of GaSe is the strongest among all the 2D atomic crystals measured up to day. At the excitation wavelength of 1600 nm, the SHG signal from monolayer GaSe is around 1-2 orders of magnitude larger than that from monolayer MoS2 under the same excitation power. Such a strong nonlinear signal facilitates the use of polarization-dependent SHG intensity and SHG mapping to investigate the symmetry properties of this material: the monolayer GaSe shows 3-fold lattice symmetry with an intrinsic correspondence to its geometric triangular shape in our growth condition; whereas the bilayer GaSe exhibits two dominant stacking orders: AA and AB stacking. The correlation between the stacking orders and the interlayer twist angles in GaSe bilayer indicates that different triangular GaSe atomic layers have the same dominant edge configuration. Our results provide a route toward exploring the structural information and the possibility to observe other nonlinear effects in GaSe atomic layers.

Controlling the crystal structure is a powerful approach for manipulating the fundamental properties of solids. In van der Waals materials, this control can be achieved by modifying the stacking order through rotation and translation between the layers. Here, we observed stacking-dependent interlayer magnetism in the two-dimensional (2D) magnetic semiconductor chromium tribromide (CrBr3), which was enabled by the successful growth of its monolayer and bilayer through molecular beam epitaxy. Using in situ spin-polarized scanning tunneling microscopy and spectroscopy, we directly correlate the atomic lattice structure with the observed magnetic order. Although the individual monolayer CrBr3 is ferromagnetic, the interlayer coupling in bilayer depends on the stacking order and can be either ferromagnetic or antiferromagnetic. Our observations pave the way for manipulating 2D magnetism with layer twist angle control.

The atomic and electronic structure of intrinsic defects in a WSe_{2} monolayer grown on graphite was revealed by low temperature scanning tunneling microscopy and spectroscopy. Instead of chalcogen vacancies that prevail in other transition metal dichalcogenide materials, intrinsic defects in WSe_{2} arise surprisingly from single tungsten vacancies, leading to the hole (p-type) doping. Furthermore, we found these defects to dominate the excitonic emission of the WSe_{2} monolayer at low temperature. Our work provided the first atomic-scale understanding of defect excitons and paved the way toward deciphering the defect structure of single quantum emitters previously discovered in the WSe_{2} monolayer.