Semiconductor heterostructures are the fundamental platform for many important device applications such as lasers, light-emitting diodes, solar cells, and high-electron-mobility transistors. Analogous to traditional heterostructures, layered transition metal dichalcogenide heterostructures can be designed and built by assembling individual single layers into functional multilayer structures, but in principle with atomically sharp interfaces, no interdiffusion of atoms, digitally controlled layered components, and no lattice parameter constraints. Nonetheless, the optoelectronic behavior of this new type of van der Waals (vdW) semiconductor heterostructure is unknown at the single-layer limit. Specifically, it is experimentally unknown whether the optical transitions will be spatially direct or indirect in such hetero-bilayers. Here, we investigate artificial semiconductor heterostructures built from single-layer WSe2 and MoS2. We observe a large Stokes-like shift of ∼ 100 meV between the photoluminescence peak and the lowest absorption peak that is consistent with a type II band alignment having spatially direct absorption but spatially indirect emission. Notably, the photoluminescence intensity of this spatially indirect transition is strong, suggesting strong interlayer coupling of charge carriers. This coupling at the hetero-interface can be readily tuned by inserting dielectric layers into the vdW gap, consisting of hexagonal BN. Consequently, the generic nature of this interlayer coupling provides a new degree of freedom in band engineering and is expected to yield a new family of semiconductor heterostructures having tunable optoelectronic properties with customized composite layers.

Abstract Point defects in semiconductors can trap free charge carriers and localize excitons. The interaction between these defects and charge carriers becomes stronger at reduced dimensionalities and is expected to greatly influence physical properties of the hosting material. We investigated effects of anion vacancies in monolayer transition metal dichalcogenides as two-dimensional (2D) semiconductors where the vacancies density is controlled by α-particle irradiation or thermal-annealing. We found a new, sub-bandgap emission peak as well as increase in overall photoluminescence intensity as a result of the vacancy generation. Interestingly, these effects are absent when measured in vacuum. We conclude that in opposite to conventional wisdom, optical quality at room temperature cannot be used as criteria to assess crystal quality of the 2D semiconductors. Our results not only shed light on defect and exciton physics of 2D semiconductors, but also offer a new route toward tailoring optical properties of 2D semiconductors by defect engineering.

In the monolayer limit, transition metal dichalcogenides become direct-bandgap, light-emitting semiconductors. The quantum yield of light emission is low and extremely sensitive to the substrate used, while the underlying physics remains elusive. In this work, we report over 100 times modulation of light emission efficiency of these two-dimensional semiconductors by physical adsorption of O2 and/or H2O molecules, while inert gases do not cause such effect. The O2 and/or H2O pressure acts quantitatively as an instantaneously reversible "molecular gating" force, providing orders of magnitude broader control of carrier density and light emission than conventional electric field gating. Physi-sorbed O2 and/or H2O molecules electronically deplete n-type materials such as MoS2 and MoSe2, which weakens electrostatic screening that would otherwise destabilize excitons, leading to the drastic enhancement in photoluminescence. In p-type materials such as WSe2, the molecular physisorption results in the opposite effect. Unique and universal in two-dimensional semiconductors, the effect offers a new mechanism for modulating electronic interactions and implementing optical devices.

We demonstrate field-effect transistors using heterogeneously stacked two-dimensional materials for all of the components, including the semiconductor, insulator, and metal layers. Specifically, MoS2 is used as the active channel material, hexagonal-BN as the top-gate dielectric, and graphene as the source/drain and the top-gate contacts. This transistor exhibits n-type behavior with an ON/OFF current ratio of >10(6), and an electron mobility of ∼33 cm(2)/V·s. Uniquely, the mobility does not degrade at high gate voltages, presenting an important advantage over conventional Si transistors where enhanced surface roughness scattering severely reduces carrier mobilities at high gate-fields. A WSe2-MoS2 diode with graphene contacts is also demonstrated. The diode exhibits excellent rectification behavior and a low reverse bias current, suggesting high quality interfaces between the stacked layers. In this work, all interfaces are based on van der Waals bonding, presenting a unique device architecture where crystalline, layered materials with atomically uniform thicknesses are stacked on demand, without the lattice parameter constraints. The results demonstrate the promise of using an all-layered material system for future electronic applications.

Transition metal dichalcogenides, such as MoS2 and WSe2, have recently gained tremendous interest for electronic and optoelectronic applications. MoS2 and WSe2 monolayers are direct bandgap and show bright photoluminescence (PL), whereas multilayers exhibit much weaker PL due to their indirect optical bandgap. This presents an obstacle for a number of device applications involving light harvesting or detection where thicker films with direct optical bandgap are desired. Here, we experimentally demonstrate a drastic enhancement in PL intensity for multilayer WSe2 (2–4 layers) under uniaxial tensile strain of up to 2%. Specifically, the PL intensity of bilayer WSe2 is amplified by ∼35× , making it comparable to that of an unstrained WSe2 monolayer. This drastic PL enhancement is attributed to an indirect to direct bandgap transition for strained bilayer WSe2, as confirmed by density functional theory (DFT) calculations. Notably, in contrast to MoS2 multilayers, the energy difference between the direct and indirect bandgaps of WSe2 multilayers is small, thus allowing for bandgap crossover at experimentally feasible strain values. Our results present an important advance toward controlling the band structure and optoelectronic properties of few-layer WSe2 via strain engineering, with important implications for practical device applications.

Air-stable doping of transition metal dichalcogenides is of fundamental importance to enable a wide range of optoelectronic and electronic devices while exploring their basic material properties. Here we demonstrate the use of benzyl viologen (BV), which has one of the highest reduction potentials of all electron-donor organic compounds, as a surface charge transfer donor for MoS2 flakes. The n-doped samples exhibit excellent stability in both ambient air and vacuum. Notably, we obtained a high electron sheet density of ∼1.2 × 1013 cm–2, which corresponds to the degenerate doping limit for MoS2. The BV dopant molecules can be reversibly removed by immersion in toluene, providing the ability to control the carrier sheet density as well as selective removal of surface dopants on demand. By BV doping of MoS2 at the metal junctions, the contact resistances are shown to be reduced by a factor of >3. As a proof of concept, top-gated field-effect transistors were fabricated with BV-doped n+ source/drain contacts self-aligned with respect to the top gate. The device architecture, resembling that of the conventional Si transistors, exhibited excellent switching characteristics with a subthreshold swing of ∼77 mV/decade.

The development of low-resistance source/drain contacts to transition-metal dichalcogenides (TMDCs) is crucial for the realization of high-performance logic components. In particular, efficient hole contacts are required for the fabrication of p-type transistors with MoS2, a model TMDC. Previous studies have shown that the Fermi level of elemental metals is pinned close to the conduction band of MoS2, thus resulting in large Schottky barrier heights for holes with limited hole injection from the contacts. Here, we show that substoichiometric molybdenum trioxide (MoOx, x < 3), a high work function material, acts as an efficient hole injection layer to MoS2 and WSe2. In particular, we demonstrate MoS2 p-type field-effect transistors and diodes by using MoOx contacts. We also show drastic on-current improvement for p-type WSe2 FETs with MoOx contacts over devices made with Pd contacts, which is the prototypical metal used for hole injection. The work presents an important advance in contact engineering of TMDCs and will enable future exploration of their performance limits and intrinsic transport properties.

Abstract Lipids are fundamental building blocks of cells and their organelles, yet nanoscale resolution imaging of lipids has been largely limited to electron microscopy techniques. We introduce and validate a chemical tag that enables lipid membranes to be imaged optically at nanoscale resolution via a lipid-optimized form of expansion microscopy, which we call membrane expansion microscopy (mExM). mExM, via a novel post-expansion antibody labeling protocol, enables protein-lipid relationships to be imaged in organelles such as mitochondria, the endoplasmic reticulum, the nuclear membrane, and the Golgi apparatus. mExM may be of use in a variety of biological contexts, including the study of cell-cell interactions, intracellular transport, and neural connectomics.

ABSTRACT Nanoscale resolution imaging of whole vertebrates is required for a systematic understanding of human diseases, but this has yet to be realized. Expansion microscopy (ExM) is an attractive option for achieving this goal, but the expansion of whole vertebrates has not been demonstrated due to the difficulty of expanding hard body components. Here, we demonstrate whole-body ExM, which enables nanoscale resolution imaging of anatomical structures, proteins, and endogenous fluorescent proteins (FPs) of whole zebrafish larvae and mouse embryos by expanding them fourfold. We first show that post-digestion decalcification and digestion kinetics matching are critical steps in the expansion of whole vertebrates. Then, whole-body ExM is combined with the improved pan-protein labeling approach to demonstrate the three-dimensional super-resolution imaging of antibody- or FP-labeled structures and all major anatomical structures surrounding them. We also show that whole-body ExM enables visualization of the nanoscale details of neuronal structures across the entire body.

Abstract Lipid membranes are key to the nanoscale compartmentalization of biological systems, but fluorescent visualization of them in intact tissues, with nanoscale precision, is challenging to do with high labeling density. Here, we report ultrastructural membrane expansion microscopy (umExM), which combines a novel membrane label and optimized expansion microscopy protocol, to support dense labeling of membranes in tissues for nanoscale visualization. We validated the high signal-to-background ratio, and uniformity and continuity, of umExM membrane labeling in brain slices, which supported the imaging of membranes and proteins at a resolution of ∼60 nm on a confocal microscope. We demonstrated the utility of umExM for the segmentation and tracing of neuronal processes, such as axons, in mouse brain tissue. Combining umExM with optical fluctuation imaging, or iterating the expansion process, yielded ∼35 nm resolution imaging, pointing towards the potential for electron microscopy resolution visualization of brain membranes on ordinary light microscopes.