We introduce the 2D counterpart of layered black phosphorus, which we call phosphorene, as an unexplored p-type semiconducting material. Same as graphene and MoS2, single-layer phosphorene is flexible and can be mechanically exfoliated. We find phosphorene to be stable and, unlike graphene, to have an inherent, direct, and appreciable band gap. Our ab initio calculations indicate that the band gap is direct, depends on the number of layers and the in-layer strain, and is significantly larger than the bulk value of 0.31–0.36 eV. The observed photoluminescence peak of single-layer phosphorene in the visible optical range confirms that the band gap is larger than that of the bulk system. Our transport studies indicate a hole mobility that reflects the structural anisotropy of phosphorene and complements n-type MoS2. At room temperature, our few-layer phosphorene field-effect transistors with 1.0 μm channel length display a high on-current of 194 mA/mm, a high hole field-effect mobility of 286 cm2/V·s, and an on/off ratio of up to 104. We demonstrate the possibility of phosphorene integration by constructing a 2D CMOS inverter consisting of phosphorene PMOS and MoS2 NMOS transistors.

Phosphorene, an elemental 2D material, which is the monolayer of black phosphorus, has been mechanically exfoliated recently. In its bulk form, black phosphorus shows high carrier mobility (~10000 cm2/Vs) and a ~0.3 eV direct bandgap. Well-behaved p-type field-effect transistors with mobilities of up to 1000 cm2/Vs, as well as phototransistors, have been demonstrated on few-layer black phosphorus, showing its promise for electronics and optoelectronics applications due to its high hole mobility and thickness-dependence direct bandgap. However, p-n junctions, the basic building blocks of modern electronic and optoelectronic devices, have not yet been realized based on black phosphorus. In this paper, we demonstrate a gate tunable p-n diode based on a p-type black phosphorus/n-type monolayer MoS2 van der Waals p-n heterojunction. Upon illumination, these ultra-thin p-n diodes show a maximum photodetection responsivity of 418 mA/W at the wavelength of 633 nm, and photovoltaic energy conversion with an external quantum efficiency of 0.3%. These p-n diodes show promise for broadband photodetection and solar energy harvesting.

The reliable production of two-dimensional (2D) crystals is essential for the development of new technologies based on 2D materials. However, current synthesis methods suffer from a variety of drawbacks, including limitations in crystal size and stability. Here, we report the fabrication of large-area, high-quality 2D tellurium (tellurene) using a substrate-free solution process. Our approach can create crystals with process-tunable thickness, from a monolayer to tens of nanometres, and with lateral sizes of up to 100 µm. The chiral-chain van der Waals structure of tellurene gives rise to strong in-plane anisotropic properties and large thickness-dependent shifts in Raman vibrational modes, which is not observed in other 2D layered materials. We also fabricate tellurene field-effect transistors, which exhibit air-stable performance at room temperature for over two months, on/off ratios on the order of 106, and field-effect mobilities of about 700 cm2 V−1 s−1. Furthermore, by scaling down the channel length and integrating with high-k dielectrics, transistors with a significant on-state current density of 1 A mm−1 are demonstrated. A substrate-free solution process can create large-area two-dimensional tellurium crystals, which can be used to build field-effect transistors that exhibit air-stable performance at room temperature for over two months and high on-state current densities of 1 A mm–1.

Black phosphorus has been revisited recently as a new two-dimensional material showing potential applications in electronics and optoelectronics. Here we report the anisotropic in-plane thermal conductivity of suspended few-layer black phosphorus measured by micro-Raman spectroscopy. The armchair and zigzag thermal conductivities are ~20 and ~40 W m$^{-1}$ K$^{-1}$ for black phosphorus films thicker than 15 nm, respectively, and decrease to ~10 and ~20 W m$^{-1}$ K$^{-1}$ as the film thickness is reduced, exhibiting significant anisotropy. The thermal conductivity anisotropic ratio is found to be ~2 for thick black phosphorus films and drops to ~1.5 for the thinnest 9.5-nm-thick film. Theoretical modeling reveals that the observed anisotropy is primarily related to the anisotropic phonon dispersion, whereas the intrinsic phonon scattering rates are found to be similar along the armchair and zigzag directions. Surface scattering in the black phosphorus films is shown to strongly suppress the contribution of long-mean-free-path acoustic phonons.

Experimental demonstrations of 1D van der Waals material tellurium have been presented by Raman spectroscopy under strain and magneto-transport. Raman spectroscopy measurements have been performed under strains along different principle axes. Pronounced strain response along c-axis is observed due to the strong intra-chain covalent bonds, while no strain response is obtained along a-axis due to the weak inter-chain van der Waals interaction. Magneto-transport results further verify its anisotropic property, resulting in dramatically distinct magneto-resistance behaviors in terms of three different magnetic field directions. Specifically, phase coherence length extracted from weak antilocalization effect, L$_{\Phi}$ ~ T$^{-0.5}$, claims its 2D transport characteristics when an applied magnetic field is perpendicular to the thin film. In contrast, L$_{\Phi}$ ~ T$^{-0.33}$ is obtained from universal conductance fluctuations once the magnetic field is along c-axis of Te, indicating its nature of 1D transport along the helical atomic chains. Our studies, which are obtained on high quality single crystal tellurium thin film, appear to serve as strong evidences of its 1D van der Waals structure from experimental perspectives. It is the aim of this paper to address this special concept that differs from the previous well-studied 1D nanowires or 2D van der Waals materials.

A rational yet scalable solution phase method has been established, for the first time, to obtain n-type Bi2Te3 ultrathin nanowires with an average diameter of 8 nm in high yield (up to 93%). Thermoelectric properties of bulk pellets fabricated by compressing the nanowire powder through spark plasma sintering have been investigated. Compared to the current commercial n-type Bi2Te3-based bulk materials, our nanowire devices exhibit an enhanced ZT of 0.96 peaked at 380 K due to a significant reduction of thermal conductivity derived from phonon scattering at the nanoscale interfaces in the bulk pellets, which corresponds to a 13% enhancement compared to that of the best n-type commercial Bi2Te2.7Se0.3 single crystals (∼0.85) and is comparable to the best reported result of n-type Bi2Te2.7Se0.3 sample (ZT = 1.04) fabricated by the hot pressing of ball-milled powder. The uniformity and high yield of the nanowires provide a promising route to make significant contributions to the manufacture of nanotechnology-based thermoelectric power generation and solid-state cooling devices with superior performance in a reliable and a reproducible way.

Selenium has attracted intensive attention as a promising material candidate for future optoelectronic applications. However, selenium has a strong tendency to grow into nanowire forms due to its anisotropic atomic structure, which has largely hindered the exploration of its potential applications. In this work, using a physical vapor deposition method, we have demonstrated the synthesis of large-size, high-quality 2D selenium nanosheets, the minimum thickness of which could be as thin as 5 nm. The Se nanosheet exhibits a strong in-plane anisotropic property, which is determined by angle-resolved Raman spectroscopy. Back-gating field-effect transistors based on a Se nanosheet exhibit p-type transport behaviors with on-state current density around 20 mA/mm at Vds = 3 V. Four-terminal field effect devices are also fabricated to evaluate the intrinsic hole mobility of the selenium nanosheet, and the value is determined to be 0.26 cm2 Vs at 300 K. The selenium nanosheet phototransistors show an excellent photoresponsivity of up to 263 A/W, with a rise time of 0.1 s and fall time of 0.12 s. These results suggest that crystal selenium as a 2D form of a 1D van der Waals solid opens up the possibility to explore device applications.

The Poisson's ratio of a material characterizes its response to uniaxial strain. Materials normally possess a positive Poisson's ratio - they contract laterally when stretched, and expand laterally when compressed. A negative Poisson's ratio is theoretically permissible but has not, with few exceptions of man-made bulk structures, been experimentally observed in any natural materials. Here, we show that the negative Poisson's ratio exists in the low-dimensional natural material black phosphorus and that our experimental observations are consistent with first-principles simulations. Through applying uniaxial strain along armchair direction, we have succeeded in demonstrating a cross-plane interlayer negative Poisson's ratio on black phosphorus for the first time. Meanwhile, our results support the existence of a cross-plane intralayer negative Poisson's ratio in the constituent phosphorene layers under uniaxial deformation along the zigzag axis, which is in line with a previous theoretical prediction. The phenomenon originates from the puckered structure of its in-plane lattice, together with coupled hinge-like bonding configurations.

Abstract Multi-photon polymerization is a well-established, yet actively developing, additive manufacturing technique for 3D printing on the micro/nanoscale. Like all additive manufacturing techniques, determining the process parameters necessary to achieve dimensional accuracy for a structure 3D printed using this method is not always straightforward and can require time-consuming experimentation. In this work, an active machine learning based framework is presented for determining optimal process parameters for the recently developed, high-speed, layer-by-layer continuous projection 3D printing process. The proposed active learning framework uses Bayesian optimization to inform optimal experimentation in order to adaptively collect the most informative data for effective training of a Gaussian-process-regression-based machine learning model. This model then serves as a surrogate for the manufacturing process: predicting optimal process parameters for achieving a target geometry, e.g., the 2D geometry of each printed layer. Three representative 2D shapes at three different scales are used as test cases. In each case, the active learning framework improves the geometric accuracy, with drastic reductions of the errors to within the measurement accuracy in just four iterations of the Bayesian optimization using only a few hundred of total training data. The case studies indicate that the active learning framework developed in this work can be broadly applied to other additive manufacturing processes to increase accuracy with significantly reduced experimental data collection effort for optimization.