A flatter route to shorter channels High-performance silicon transistors can have gate lengths as short as 5 nm before source-drain tunneling and loss of electrostatic control lead to unacceptable leakage current when the device is off. Desai et al. explored the use of MoS 2 as a channel material, given that its electronic properties as thin layers should limit such leakage. A transistor with a 1-nm physical gate was constructed with a MoS 2 bilayer channel and a single-walled carbon nanotube gate electrode. Excellent switching characteristics and an on-off state current ratio of ∼10 6 were observed. Science , this issue p. 99

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.

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.

Gold-mediated exfoliation of ultralarge optoelectronically perfect monolayers with lateral dimensions up to ≈500 μm is reported. Electrical, optical, and X-ray photo-electron spectroscopy characterization show that the quality of the gold-exfoliated flakes is similar to that of tape-exfoliated flakes. Large-area flakes allow manufacturing of large-area mono-layer transition metal dichalcogenide electronics.