Graphene has attracted considerable interest for future electronics, but the absence of a bandgap limits its direct applicability in transistors and logic devices. Recently, other layered materials such as molybdenum disulphide (MoS(2)) have been investigated to address this challenge. Here, we report the vertical integration of multi-heterostructures of layered materials for the fabrication of a new generation of vertical field-effect transistors (VFETs) with a room temperature on-off ratio > 10(3) and a high current density of up to 5,000 A cm(-2). An n-channel VFET is created by sandwiching few-layer MoS(2) as the semiconducting channel between a monolayer graphene sheet and a metal thin film. This approach offers a general strategy for the vertical integration of p- and n-channel transistors for high-performance logic applications. As an example, we demonstrate a complementary inverter with a larger-than-unity voltage gain by vertically stacking graphene, Bi(2)Sr(2)Co(2)O(8) (p-channel), graphene, MoS(2) (n-channel) and a metal thin film in sequence. The ability to simultaneously achieve a high on-off ratio, a high current density and a logic function in such vertically stacked multi-heterostructures can open up possibilities for three-dimensional integration in future electronics.

The growth of large-domain single crystalline graphene with the controllable number of layers is of central importance for large-scale integration of graphene devices. Here we report a new pathway to greatly reduce the graphene nucleation density from ~106 to 4 nuclei cm−2, enabling the growth of giant single crystals of monolayer graphene with a lateral size up to 5 mm and Bernal-stacked bilayer graphene with the lateral size up to 300 μm, both the largest reported to date. The formation of the giant graphene single crystals eliminates the grain boundary scattering to ensure excellent device-to-device uniformity and remarkable electronic properties with the expected quantum Hall effect and the highest carrier mobility up to 16,000 cm2 V−1 s−1. The availability of the ultra large graphene single crystals can allow for high-yield fabrication of integrated graphene devices, paving a pathway to scalable electronic and photonic devices based on graphene materials. The growth of high-quality graphene over large areas is essential for the realization of graphene-based electronic devices. Zhou et al.report a new pathway to grow single crystalline graphene of up to 5 mm in size, with very good electronic performance and high uniformity.

The p–n diodes represent the most fundamental device building blocks for diverse optoelectronic functions, but are difficult to achieve in atomically thin transition metal dichalcogenides (TMDs) due to the challenges in selectively doping them into p- or n-type semiconductors. Here, we demonstrate that an atomically thin and sharp heterojunction p–n diode can be created by vertically stacking p-type monolayer tungsten diselenide (WSe2) and n-type few-layer molybdenum disulfide (MoS2). Electrical measurements of the vertically staked WSe2/MoS2 heterojunctions reveal excellent current rectification behavior with an ideality factor of 1.2. Photocurrent mapping shows rapid photoresponse over the entire overlapping region with a highest external quantum efficiency up to 12%. Electroluminescence studies show prominent band edge excitonic emission and strikingly enhanced hot-electron luminescence. A systematic investigation shows distinct layer-number dependent emission characteristics and reveals important insight about the origin of hot-electron luminescence and the nature of electron–orbital interaction in TMDs. We believe that these atomically thin heterojunction p–n diodes represent an interesting system for probing the fundamental electro-optical properties in TMDs and can open up a new pathway to novel optoelectronic devices such as atomically thin photodetectors, photovoltaics, as well as spin- and valley-polarized light emitting diodes, on-chip lasers.

Two-dimensional layered materials, such as molybdenum disulfide, are emerging as an exciting material system for future electronics due to their unique electronic properties and atomically thin geometry. Here we report a systematic investigation of MoS2 transistors with optimized contact and device geometry, to achieve self-aligned devices with performance including an intrinsic gain over 30, an intrinsic cut-off frequency fT up to 42 GHz and a maximum oscillation frequency fMAX up to 50 GHz, exceeding the reported values for MoS2 transistors to date (fT~0.9 GHz, fMAX~1 GHz). Our results show that logic inverters or radio frequency amplifiers can be formed by integrating multiple MoS2 transistors on quartz or flexible substrates with voltage gain in the gigahertz regime. This study demonstrates the potential of two-dimensional layered semiconductors for high-speed flexible electronics. Molybdenum disulfide holds great potential for advanced flexible electronic devices. Here, using a transferred gate technique, the authors fabricate molybdenum disulfide-based transistors with optimized device geometry and contact, improving device speed and demonstrating gigahertz circuits with voltage gain.

Transition metal dichacogenides represent a unique class of two-dimensional layered materials that can be exfoliated into single or few atomic layers. Tungsten diselenide (WSe2) is one typical example with p-type semiconductor characteristics. Bulk WSe2 has an indirect band gap (∼1.2 eV), which transits into a direct band gap (∼1.65 eV) in monolayers. Monolayer WSe2, therefore, is of considerable interest as a new electronic material for functional electronics and optoelectronics. However, the controllable synthesis of large-area WSe2 atomic layers remains a challenge. The studies on WSe2 are largely limited by relatively small lateral size of exfoliated flakes and poor yield, which has significantly restricted the large-scale applications of the WSe2 atomic layers. Here, we report a systematic study of chemical vapor deposition approach for large area growth of atomically thin WSe2 film with the lateral dimensions up to ∼1 cm2. Microphotoluminescence mapping indicates distinct layer dependent efficiency. The monolayer area exhibits much stronger light emission than bilayer or multilayers, consistent with the expected transition to direct band gap in the monolayer limit. The transmission electron microscopy studies demonstrate excellent crystalline quality of the atomically thin WSe2. Electrical transport studies further show that the p-type WSe2 field-effect transistors exhibit excellent electronic characteristics with effective hole carrier mobility up to 100 cm2 V–1 s–1 for monolayer and up to 350 cm2 V–1 s–1 for few-layer materials at room temperature, comparable or well above that of previously reported mobility values for the synthetic WSe2 and comparable to the best exfoliated materials.

Graphene has attracted enormous attention for radio-frequency transistor applications because of its exceptional high carrier mobility, high carrier saturation velocity, and large critical current density. Herein we report a new approach for the scalable fabrication of high-performance graphene transistors with transferred gate stacks. Specifically, arrays of gate stacks are first patterned on a sacrificial substrate, and then transferred onto arbitrary substrates with graphene on top. A self-aligned process, enabled by the unique structure of the transferred gate stacks, is then used to position precisely the source and drain electrodes with minimized access resistance or parasitic capacitance. This process has therefore enabled scalable fabrication of self-aligned graphene transistors with unprecedented performance including a record-high cutoff frequency up to 427 GHz. Our study defines a unique pathway to large-scale fabrication of high-performance graphene transistors, and holds significant potential for future application of graphene-based devices in ultra–high-frequency circuits.

Bernal-stacked (AB-stacked) bilayer graphene is of significant interest for functional electronic and photonic devices due to the feasibility to continuously tune its band gap with a vertical electric field. Mechanical exfoliation can be used to produce AB-stacked bilayer graphene flakes but typically with the sizes limited to a few micrometers. Chemical vapor deposition (CVD) has been recently explored for the synthesis of bilayer graphene but usually with limited coverage and a mixture of AB- and randomly stacked structures. Herein we report a rational approach to produce large-area high-quality AB-stacked bilayer graphene. We show that the self-limiting effect of graphene growth on Cu foil can be broken by using a high H(2)/CH(4) ratio in a low-pressure CVD process to enable the continued growth of bilayer graphene. A high-temperature and low-pressure nucleation step is found to be critical for the formation of bilayer graphene nuclei with high AB stacking ratio. A rational design of a two-step CVD process is developed for the growth of bilayer graphene with high AB stacking ratio (up to 90%) and high coverage (up to 99%). The electrical transport studies demonstrate that devices made of the as-grown bilayer graphene exhibit typical characteristics of AB-stacked bilayer graphene with the highest carrier mobility exceeding 4000 cm(2)/V · s at room temperature, comparable to that of the exfoliated bilayer graphene.