At the atomic-cluster scale, pure boron is markedly similar to carbon, forming simple planar molecules and cage-like fullerenes. Theoretical studies predict that two-dimensional (2D) boron sheets will adopt an atomic configuration similar to that of boron atomic clusters. We synthesized atomically thin, crystalline 2D boron sheets (i.e., borophene) on silver surfaces under ultrahigh-vacuum conditions. Atomic-scale characterization, supported by theoretical calculations, revealed structures reminiscent of fused boron clusters with multiple scales of anisotropic, out-of-plane buckling. Unlike bulk boron allotropes, borophene shows metallic characteristics that are consistent with predictions of a highly anisotropic, 2D metal.

Functionalization of atomically thin nanomaterials enables the tailoring of their chemical, optical and electronic properties. Exfoliated black phosphorus (BP)-a layered two-dimensional semiconductor-exhibits favourable charge-carrier mobility, tunable bandgap and highly anisotropic properties, but it is chemically reactive and degrades rapidly in ambient conditions. Here we show that covalent aryl diazonium functionalization suppresses the chemical degradation of exfoliated BP even after three weeks of ambient exposure. This chemical modification scheme spontaneously forms phosphorus-carbon bonds, has a reaction rate sensitive to the aryl diazonium substituent and alters the electronic properties of exfoliated BP, ultimately yielding a strong, tunable p-type doping that simultaneously improves the field-effect transistor mobility and on/off current ratio. This chemical functionalization pathway controllably modifies the properties of exfoliated BP, and thus improves its prospects for nanoelectronic applications.

Unencapsulated, exfoliated black phosphorus (BP) flakes are found to chemically degrade upon exposure to ambient conditions. Atomic force microscopy, electrostatic force microscopy, transmission electron microscopy, X-ray photoelectron spectroscopy, and Fourier transform infrared spectroscopy are employed to characterize the structure and chemistry of the degradation process, suggesting that O2 saturated H2O irreversibly reacts with BP to form oxidized phosphorus species. This interpretation is further supported by the observation that BP degradation occurs more rapidly on hydrophobic octadecyltrichlorosilane self-assembled monolayers and on H-Si(111), versus hydrophilic SiO2. For unencapsulated BP field-effect transistors, the ambient degradation causes large increases in threshold voltage after 6 hours in ambient, followed by a ~10^3 decrease in FET current on/off ratio and mobility after 48 hours. Atomic layer deposited AlOx overlayers effectively suppress ambient degradation, allowing encapsulated BP FETs to maintain high on/off ratios of ~10^3 and mobilities of ~100 cm2/(V*s) for over two weeks in ambient. This work shows that the ambient degradation of BP can be managed effectively when the flakes are sufficiently passivated. In turn, our strategy for enhancing BP environmental stability will accelerate efforts to implement BP in electronic and optoelectronic applications.

Solution dispersions of two-dimensional (2D) black phosphorus (BP), often referred to as phosphorene, are achieved by solvent exfoliation. These pristine, electronic-grade BP dispersions are produced with anhydrous, organic solvents in a sealed tip ultrasonication system, which circumvents BP degradation that would otherwise occur via solvated oxygen or water. Among conventional solvents, n-methyl-pyrrolidone (NMP) is found to provide stable, highly concentrated (~0.4 mg/mL) BP dispersions. Atomic force microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, Raman spectroscopy, and X-ray photoelectron spectroscopy show that the structure and chemistry of solvent-exfoliated BP nanosheets are comparable to mechanically exfoliated BP flakes. Additionally, residual NMP from the liquid-phase processing suppresses the rate of BP oxidation in ambient conditions. Solvent-exfoliated BP nanosheet field-effect transistors (FETs) exhibit ambipolar behavior with current on/off ratios and mobilities up to ~10000 and ~50 cm^2/(V*s), respectively. Overall, this study shows that stable, highly concentrated, electronic-grade 2D BP dispersions can be realized by scalable solvent exfoliation, thereby presenting opportunities for large-area, high-performance BP device applications.

Chemical vapor deposition of graphene on Cu often employs polycrystalline Cu substrates with diverse facets, grain boundaries (GBs), annealing twins, and rough sites. Using scanning electron microscopy (SEM), electron-backscatter diffraction (EBSD), and Raman spectroscopy on graphene and Cu, we find that Cu substrate crystallography affects graphene growth more than facet roughness. We determine that (111) containing facets produce pristine monolayer graphene with higher growth rate than (100) containing facets, especially Cu(100). The number of graphene defects and nucleation sites appears Cu facet invariant at growth temperatures above 900 °C. Engineering Cu to have (111) surfaces will cause monolayer, uniform graphene growth.

Ultrathin transition metal dichalcogenides (TMDCs) of Mo and W show great potential for digital electronics and optoelectronic applications. Whereas early studies were limited to mechanically exfoliated flakes, the large-area synthesis of 2D TMDCs has now been realized by chemical vapor deposition (CVD) based on a sulfurization reaction. Since then, the optoelectronic properties of CVD grown monolayer MoS$_{2}$ have been heavily investigated, but the influence of stoichiometry on the electrical and optical properties has been largely overlooked. Here we systematically vary the stoichiometry of monolayer MoS$_{2}$ during CVD via controlled sulfurization and investigate the associated changes in photoluminescence and electrical properties. X-ray photoelectron spectroscopy is employed to measure relative variations in stoichiometry and the persistence of MoO$_{x}$ species. As MoS$_{2-{\delta}}$ is reduced (increasing {\delta}), the field-effect mobility of monolayer transistors increases while the photoluminescence yield becomes non-uniform. Devices fabricated from monolayers with the lowest sulfur content have negligible hysteresis and a threshold voltage of ~0 V. We conclude that the electrical and optical properties of monolayer MoS$_{2}$ crystals can be tuned via stoichiometry engineering to meet the requirements of various applications.

Two-dimensional (2D) semiconducting transition metal dichalcogenides (TMDCs) and black phosphorus (BP) have beneficial electronic, optical, and physical properties at the few-layer limit. As atomically thin materials, 2D TMDCs and BP are highly sensitive to their environment and chemical modification, resulting in a strong dependence of their properties on substrate effects, intrinsic defects, and extrinsic adsorbates. Furthermore, the integration of 2D semiconductors into electronic and optoelectronic devices introduces unique challenges at metal-semiconductor and dielectric-semiconductor interfaces. Here, we review emerging efforts to understand and exploit chemical effects to influence the properties of 2D TMDCs and BP. In some cases, surface chemistry leads to significant degradation, thus necessitating the development of robust passivation schemes. On the other hand, appropriately designed chemical modification can be used to beneficially tailor electronic properties, such as controlling doping levels and charge carrier concentrations. Overall, chemical methods allow substantial tunability of the properties of 2D TMDCs and BP, thereby enabling significant future opportunities to optimize performance for device applications.

We ascertain the anisotropic thermal conductivity of alumina passivated black phosphorus (BP), a reactive 2D nanomaterial with strong in-plane anisotropy. We measure the room temperature thermal conductivity by time-domain thermoreflectance for the three crystalline axes of exfoliated BP. The thermal conductivity along the zigzag direction (86 +/- 8 W/(m*K)) is ~2.5 times higher than that of the armchair direction (34 +/- 4 W/(m*K)).

Significance Few-layered phosphorene, which is isolated through exfoliation from black phosphorus, has attracted great interest due to its unique electronic and optical properties. Although solution-based exfoliation methods have been developed for black phosphorus, these techniques have thus far used anhydrous organic solvents. This approach minimizes exposure to known oxidizing species, but at the cost of limited exfoliation yield and relatively thick flakes. Here, we overcome these limitations by using stabilizing surfactants in deoxygenated water, which results in phosphorene down to the monolayer limit. The resulting aqueous phosphorene dispersions show layer-dependent photoluminescence and enable high-performance field-effect transistors. Overall, this approach holds promise for the solution-phase production of few-layered phosphorene in emerging large-volume applications including electronics and optoelectronics.

ConspectusExfoliation of single-layer graphene from bulk graphite and the subsequent discovery of exotic physics and emergent phenomena in the atomically thin limit has motivated the isolation of other two-dimensional (2D) layered nanomaterials. Early work on isolated 2D nanomaterial flakes has revealed a broad range of unique physical and chemical properties with potential utility in diverse applications. For example, the electronic and optical properties of 2D nanomaterials depend strongly on atomic-scale variations in thickness, enabling enhanced performance in optoelectronic technologies such as light emitters, photodetectors, and photovoltaics. Much of the initial research on 2D nanomaterials has relied on micromechanical exfoliation, which yields high-quality 2D nanomaterial flakes that are suitable for fundamental studies but possesses limited scalability for real-world applications. In an effort to overcome this limitation, solution-processing methods for isolating large quantities of 2D nanomaterials have emerged. Importantly, solution processing results in 2D nanomaterial dispersions that are amenable to roll-to-roll fabrication methods that underlie lost-cost manufacturing of thin-film transistors, transparent conductors, energy storage devices, and solar cells. Despite these advantages, solution-based exfoliation methods typically lack control over the lateral size and thickness of the resulting 2D nanomaterial flakes, resulting in polydisperse dispersions with heterogeneous properties. Therefore, post-exfoliation separation techniques are needed to achieve 2D nanomaterial dispersions with monodispersity in lateral size, thickness, and properties.In this Account, we survey the latest developments in solution-based separation methods that aim to produce monodisperse dispersions and thin films of emerging 2D nanomaterials such as graphene, boron nitride, transition metal dichalcogenides, and black phosphorus. First, we motivate the need for precise thickness control in 2D nanomaterials by reviewing thickness-dependent physical properties. Then we present a succinct survey of solution-based exfoliation methods that yield 2D nanomaterial dispersions in organic solvents and aqueous media. The Account subsequently focuses on separation methods, including a critical analysis of their relative strengths and weaknesses for 2D nanomaterials with different buoyant densities, van der Waals interactions, and chemical reactivities. Specifically, we evaluate sedimentation-based density gradient ultracentrifugation (sDGU) and isopycnic DGU (iDGU) for post-exfoliation 2D nanomaterial dispersion separation. The comparative advantages of sedimentation and isopycnic methods are presented in both aqueous and nonaqueous media for 2D nanomaterials with varying degrees of chemical reactivity. Finally, we survey methods for forming homogeneous thin films from 2D nanomaterial dispersions and emerging technologies that are likely to benefit from these structures. Overall, this Account provides not only an overview of the present state-of-the-art but also a forward-looking vision for the field of solution-processed monodisperse 2D nanomaterials.