Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs), an emerging family of layered materials, have provided researchers a fertile ground for harvesting fundamental science and emergent applications. TMDs can contain a number of different structural defects in their crystal lattices which significantly alter their physico-chemical properties. Having structural defects can be either detrimental or beneficial, depending on the targeted application. Therefore, a comprehensive understanding of structural defects is required. Here we review different defects in semiconducting TMDs by summarizing: (i) the dimensionalities and atomic structures of defects; (ii) the pathways to generating structural defects during and after synthesis and, (iii) the effects of having defects on the physico-chemical properties and applications of TMDs. Thus far, significant progress has been made, although we are probably still witnessing the tip of the iceberg. A better understanding and control of defects is important in order to move forward the field of Defect Engineering in TMDs. Finally, we also provide our perspective on the challenges and opportunities in this emerging field.

Advances in the synthesis and scalable manufacturing of single-walled carbon nanotubes (SWCNTs) remain critical to realizing many important commercial applications. Here we review recent breakthroughs in the synthesis of SWCNTs and highlight key ongoing research areas and challenges. A few key applications that capitalize on the properties of SWCNTs are also reviewed with respect to the recent synthesis breakthroughs and ways in which synthesis science can enable advances in these applications. While the primary focus of this review is on the science framework of SWCNT growth, we draw connections to mechanisms underlying the synthesis of other 1D and 2D materials such as boron nitride nanotubes and graphene.

The Nb2CTx MXene has garnered interest for its potential applications in energy storage, catalysis, and sensors. Recent reports of Raman spectra of Nb2CTx reveal stark differences of the MXene incorporated into devices, which may affect the devices' performance and reproducibility. These differences illuminate a need for fundamental characterization of the Nb2CTx Raman modes to better understand the material-specific properties of the MXene integrated into devices. We conducted a comprehensive multiexcitation Raman study and observed nine Raman-active modes in Nb2CTx that are consistent with our density functional theory calculations. Additionally, we investigated laser-induced surface modification of Nb2CTx through changes in the peak intensities and frequencies, along with the generation of amorphous carbon with increasing incident laser power. This fundamental study provides a framework to spectroscopically assess the integrity of Nb2CTx and a tool for creating a stable, tunable, and localized surface modification.

Two dimensional (2D) nanosheets of MoS 2 were succesfully produced by an exfoliation process in aqueous media with the support from peptides and sonication.

Phonons and related processes govern the thermal properties of materials. They can be excited externally using light, heat, mechanical energy, etc. This article aims to elucidate the methodology used in studying thermal properties, specifically employing temperature-dependent Raman spectroscopy. However, unique challenges arise when applying these techniques to low-dimensional materials. We summarize theoretical and experimental studies highlighting the significance of phonon hydrodynamics—a phenomenon typically observed only at low temperatures in bulk materials, but now found at room temperature in 2D materials like graphene. This discovery calls for caution when utilizing temperature-dependent Raman spectroscopy-based techniques, such as the optothermal Raman method, which has been extensively employed to experimentally determine the thermal conductivity of graphene. Moreover, temperature-dependent Raman spectroscopy remains a valuable tool for investigating phonon anharmonicity, a key factor governing phonon transport and decay processes in a wide array of emerging 2D materials and their heterostructures.

The demand for energy storage devices with high energy density, power density, and higher efficiencies has motivated researchers to explore novel materials and designs beyond current limitations. Polymer-based dielectric capacitors are flexible, lightweight, self-healable, and compatible with a variety of nanofillers. Despite a plethora of studies on polymer nanocomposites with 2D nanofillers, the role of multilayered 2D nanofillers in polymer nanocomposites in the context of energy storage properties has yet to be determined. In this work, mechanically exfoliated 2D mica nanofillers were incorporated with poly(vinylidene fluoride) (PVDF) polymer to fabricate PVDF-mica-PVDF (PMP) multilayered heterostructure capacitors. A single exfoliated layer of mica with an average thickness of the flakes of 20 nm interfaced within layers of PVDF to form PMP and using two layers of mica to form PVDF/mica/PVDF/mica/PVDF (PMPMP) heterostructure capacitors. Average enhancements of 100% and 170% were measured for the dielectric constants of PMP (εav ∼ 22.9) and PMPMP (εav ∼ 30.8), respectively compared to that of the pristine PVDF (εav ∼ 11.4) films measured using the same setup. The highest discharged energy density of PMP and PMPMP nanocomposite films reached 27.5 J/cm3 (E = 670 MV/m) and 44 J/cm3 (E = 570 MV/m), compared to 11.2 J/cm3 (E = 396 MV/m) for the pristine PVDF capacitor. This work develops a detailed understanding of the use of multilayered 2D nanofillers to develop high-capacitance and high energy density polymeric dielectric capacitors and opens avenues for developing orientation-controlled 2D nanofiller-based capacitors for use in industrial applications.

Catalyst control is critical to carbon nanotube (CNT) growth and scaling their production. In supported catalyst CNT growth, the reduction of an oxidized metal catalyst enables growth, but its reduction also initiates catalyst deactivation via Ostwald ripening. Here, we conducted autonomous experiments guided by a hypothesis-driven machine learning planner based on a novel jump regression algorithm. This planning algorithm iteratively models the experimental response surface to identify discontinuities, such as those created by a material phase change, and targets further experiments to improve the fit and reduce uncertainty in its model. This approach led us to identify conditions that resulted in the greatest CNT yields as a function of the driving forces of catalyst reduction in a fraction of the time and cost of conventional experimental approaches. By varying temperature and the reducing potential of the growth atmosphere, we identified discontinuous jumps in CNT growth for two thicknesses of an iron catalyst, resulting in largest observed yields in narrow and distinct regions of thermodynamic space where we believe the reduced catalyst is in equilibrium with its oxide. At these jumps, we also observed the longest growth lifetimes and a greater degree of diameter control. We believe that conducting CNT growth at these conditions optimizes catalyst activity by inhibiting Ostwald ripening-induced deactivation, thereby keeping catalyst nanoparticles smaller and more numerous. This work establishes a thermodynamic framework for a generalized understanding of metal catalysts in CNT growth, and demonstrates the capability of iterative, hypothesis-driven autonomous experimentation to greatly accelerate materials science.