Two-dimensional (2D) materials, such as molybdenum disulfide (MoS2), have been shown to exhibit excellent electrical and optical properties. The semiconducting nature of MoS2 allows it to overcome the shortcomings of zero-bandgap graphene, while still sharing many of graphene's advantages for electronic and optoelectronic applications. Discrete electronic and optoelectronic components, such as field-effect transistors, sensors and photodetectors made from few-layer MoS2 show promising performance as potential substitute of Si in conventional electronics and of organic and amorphous Si semiconductors in ubiquitous systems and display applications. An important next step is the fabrication of fully integrated multi-stage circuits and logic building blocks on MoS2 to demonstrate its capability for complex digital logic and high-frequency ac applications. This paper demonstrates an inverter, a NAND gate, a static random access memory, and a five-stage ring oscillator based on a direct-coupled transistor logic technology. The circuits comprise between two to twelve transistors seamlessly integrated side-by-side on a single sheet of bilayer MoS2. Both enhancement-mode and depletion-mode transistors were fabricated thanks to the use of gate metals with different work functions.

The thinnest semiconductor, molybdenum disulfide (MoS2) monolayer, exhibits promising prospects in the applications of optoelectronics and valleytronics. A uniform and highly crystalline MoS2 monolayer in a large area is highly desirable for both fundamental studies and substantial applications. Here, utilizing various aromatic molecules as seeding promoters, a large-area, highly crystalline, and uniform MoS2 monolayer was achieved with chemical vapor deposition (CVD) at a relatively low growth temperature (650 °C). The dependence of the growth results on the seed concentration and on the use of different seeding promoters is further investigated. It is also found that an optimized concentration of seed molecules is helpful for the nucleation of the MoS2. The newly identified seed molecules can be easily deposited on various substrates and allows the direct growth of monolayer MoS2 on Au, hexagonal boron nitride (h-BN), and graphene to achieve various hybrid structures.

Recently, monolayers of layered transition metal dichalcogenides (LTMD), such as MX2 (M = Mo, W and X = S, Se), have been reported to exhibit significant spin-valley coupling and optoelectronic performances because of the unique structural symmetry and band structures. Monolayers in this class of materials offered a burgeoning field in fundamental physics, energy harvesting, electronics, and optoelectronics. However, most studies to date are hindered by great challenges on the synthesis and transfer of high-quality LTMD monolayers. Hence, a feasible synthetic process to overcome the challenges is essential. Here, we demonstrate the growth of high-quality MS2 (M = Mo, W) monolayers using ambient-pressure chemical vapor deposition (APCVD) with the seeding of perylene-3,4,9,10-tetracarboxylic acid tetrapotassium salt (PTAS). The growth of a MS2 monolayer is achieved on various surfaces with a significant flexibility to surface corrugation. Electronic transport and optical performances of the as-grown MS2 monolayers are comparable to those of exfoliated MS2 monolayers. We also demonstrate a robust technique in transferring the MS2 monolayer samples to diverse surfaces, which may stimulate the progress on the class of materials and open a new route toward the synthesis of various novel hybrid structures with LTMD monolayer and functional materials.

Two-dimensional (2D) materials have generated great interest in the past few years as a new toolbox for electronics. This family of materials includes, among others, metallic graphene, semiconducting transition metal dichalcogenides (such as MoS2), and insulating boron nitride. These materials and their heterostructures offer excellent mechanical flexibility, optical transparency, and favorable transport properties for realizing electronic, sensing, and optical systems on arbitrary surfaces. In this paper, we demonstrate a novel technology for constructing large-scale electronic systems based on graphene/molybdenum disulfide (MoS2) heterostructures grown by chemical vapor deposition. We have fabricated high-performance devices and circuits based on this heterostructure, where MoS2 is used as the transistor channel and graphene as contact electrodes and circuit interconnects. We provide a systematic comparison of the graphene/MoS2 heterojunction contact to more traditional MoS2-metal junctions, as well as a theoretical investigation, using density functional theory, of the origin of the Schottky barrier height. The tunability of the graphene work function with electrostatic doping significantly improves the ohmic contact to MoS2. These high-performance large-scale devices and circuits based on this 2D heterostructure pave the way for practical flexible transparent electronics.

Photoluminescence (PL) properties of single-layer MoS2 are indicated to have strong correlations with the surrounding dielectric environment. Blue shifts of up to 40 meV of exciton or trion PL peaks were observed as a function of the dielectric constant of the environment. These results can be explained by the dielectric screening effect of the Coulomb potential; based on this, a scaling relationship was developed with the extracted electronic band gap and exciton and trion binding energies in good agreement with theoretical estimations. It was also observed that the trion/exciton intensity ratio can be tuned by at least 1 order of magnitude with different dielectric environments. Our findings are helpful to better understand the tightly bound exciton properties in strongly quantum-confined systems and provide a simple approach to the selective and separate generation of excitons or trions with potential applications in excitonic interconnects and valleytronics.

Because of their extraordinary structural and electrical properties, two-dimensional materials are currently being pursued for applications such as thin-film transistors and integrated circuit. One of the main challenges that still needs to be overcome for these applications is the fabrication of air-stable transistors with industry-compatible complementary metal oxide semiconductor (CMOS) technology. In this work, we experimentally demonstrate a novel high performance air-stable WSe2 CMOS technology with almost ideal voltage transfer characteristic, full logic swing and high noise margin with different supply voltages. More importantly, the inverter shows large voltage gain (∼38) and small static power (picowatts), paving the way for low power electronic system in 2D materials.

Diverse parallel stitched 2D heterostructures, including metal-semiconductor, semiconductor-semiconductor, and insulator-semiconductor, are synthesized directly through selective "sowing" of aromatic molecules as the seeds in the chemical vapor deposition (CVD) method. The methodology enables the large-scale fabrication of lateral heterostructures, which offers tremendous potential for its application in integrated circuits.