van der Waals layered materials have large crystal anisotropy and crystallize spontaneously into two-dimensional (2D) morphologies. Two-dimensional materials with hexagonal lattices are emerging 2D confined electronic systems at the limit of one or three atom thickness. Often these 2D lattices also form orthorhombic symmetries, but these materials have not been extensively investigated, mainly due to thermodynamic instability during crystal growth. Here, we show controlled polymorphic growth of 2D tin-sulfide crystals of either hexagonal SnS2 or orthorhombic SnS. Addition of H2 during the growth reaction enables selective determination of either n-type SnS2 or p-type SnS 2D crystal of dissimilar energy band gap of 2.77 eV (SnS2) or 1.26 eV (SnS) as a final product. Based on this synthetic 2D polymorphism of p–n crystals, we also demonstrate p–n heterojunctions for rectifiers and photovoltaic cells, and complementary inverters.

In general, in thermoelectric materials the electrical conductivity σ and thermal conductivity κ are related and thus cannot be controlled independently. Previously, to maximize the thermoelectric figure of merit in state-of-the-art materials, differences in relative scaling between σ and κ as dimensions are reduced to approach the nanoscale were utilized. Here we present an approach to thermoelectric materials using tin disulfide, SnS2, nanosheets that demonstrated a negative correlation between σ and κ. In other words, as the thickness of SnS2 decreased, σ increased whereas κ decreased. This approach leads to a thermoelectric figure of merit increase to 0.13 at 300 K, a factor ∼1,000 times greater than previously reported bulk single-crystal SnS2. The Seebeck coefficient obtained for our two-dimensional SnS2 nanosheets was 34.7 mV K(-1) for 16-nm-thick samples at 300 K.

The rapid increase in the resistivity of thin metal films as their thickness decreases to sub-10 nm, known as the resistivity size effect, is an important issue that must be addressed to ensure device performance in ultraminiaturized semiconductor devices. Molybdenum carbide (MoCx) has been studied as a candidate for emerging interconnection materials because it can maintain a low resistivity even at a low thickness. However, reports on stable precursors with guaranteed reactivity for atomic layer deposition (ALD) remain limited; moreover, the process of forming low-resistance MoCx thin films must be studied. In this study, we propose a new route to form low-resistivity MoCx thin films by thermal ALD with partial ligand dissociation by controlling the process pressure to enhance the reactivity of the Mo precursor with reactants. Following the proposed deposition process and subsequent annealing, uniform and continuous thin films were formed (even at a sub-5 nm thickness), with an extremely low resistivity of approximately 130 μΩ cm. Therefore, the proposed method can be applied as a next-generation interconnect process; notably, high-quality thin films can be formed through pressure-assisted decomposition, even with a lack of thermal energy during the ALD process.