We report a bipolar field effect tunneling transistor that exploits to advantage the low density of states in graphene and its one atomic layer thickness. Our proof-of-concept devices are graphene heterostructures with atomically thin boron nitride acting as a tunnel barrier. They exhibit room temperature switching ratios ~50, a value that can be enhanced further by optimizing the device structure. These devices have potential for high frequency operation and large scale integration.

We report on transport characteristics of quantum dot devices etched entirely in graphene. At large sizes, they behave as conventional single-electron transistors, exhibiting periodic Coulomb blockade peaks. For quantum dots smaller than 100 nm, the peaks become strongly non-periodic indicating a major contribution of quantum confinement. Random peak spacing and its statistics are well described by the theory of chaotic neutrino (Dirac) billiards. Short constrictions of only a few nm in width remain conductive and reveal a confinement gap of up to 0.5eV, which demonstrates the in-principle possibility of molecular-scale electronics based on graphene.

Graphene is only one atom thick, optically transparent, chemically inert, and an excellent conductor. These properties seem to make this material an excellent candidate for applications in various photonic devices that require conducting but transparent thin films. In this letter, we demonstrate liquid crystal devices with electrodes made of graphene that show excellent performance with a high contrast ratio. We also discuss the advantages of graphene compared to conventionally used metal oxides in terms of low resistivity, high transparency and chemical stability.

Superlattices have attracted great interest because their use may make it possible to modify the spectra of two-dimensional electron systems and, ultimately, create materials with tailored electronic properties. In previous studies (see, for example, refs 1-8), it proved difficult to realize superlattices with short periodicities and weak disorder, and most of their observed features could be explained in terms of cyclotron orbits commensurate with the superlattice. Evidence for the formation of superlattice minibands (forming a fractal spectrum known as Hofstadter's butterfly) has been limited to the observation of new low-field oscillations and an internal structure within Landau levels. Here we report transport properties of graphene placed on a boron nitride substrate and accurately aligned along its crystallographic directions. The substrate's moiré potential acts as a superlattice and leads to profound changes in the graphene's electronic spectrum. Second-generation Dirac points appear as pronounced peaks in resistivity, accompanied by reversal of the Hall effect. The latter indicates that the effective sign of the charge carriers changes within graphene's conduction and valence bands. Strong magnetic fields lead to Zak-type cloning of the third generation of Dirac points, which are observed as numerous neutrality points in fields where a unit fraction of the flux quantum pierces the superlattice unit cell. Graphene superlattices such as this one provide a way of studying the rich physics expected in incommensurable quantum systems and illustrate the possibility of controllably modifying the electronic spectra of two-dimensional atomic crystals by varying their crystallographic alignment within van der Waals heterostuctures.

Low-field magnetoresistance is ubiquitous in low-dimensional metallic systems with high resistivity and well understood as arising due to quantum interference on self-intersecting diffusive trajectories. We have found that in graphene this weak-localization magnetoresistance is strongly suppressed and, in some cases, completely absent. The unexpected observation is attributed to mesoscopic corrugations of graphene sheets which can cause a dephasing effect similar to that of a random magnetic field.

We investigate the electronic properties of ultrathin hexagonal boron nitride (h-BN) crystalline layers with different conducting materials (graphite, graphene, and gold) on either side of the barrier layer. The tunnel current depends exponentially on the number of h-BN atomic layers, down to a monolayer thickness. Conductive atomic force microscopy scans across h-BN terraces of different thickness reveal a high level of uniformity in the tunnel current. Our results demonstrate that atomically thin h-BN acts as a defect-free dielectric with a high breakdown field. It offers great potential for applications in tunnel devices and in field-effect transistors with a high carrier density in the conducting channel.

When a crystal is subjected to a periodic potential, under certain circumstances it can adjust itself to follow the periodicity of the potential, resulting in a commensurate state. Of particular interest are topological defects between the two commensurate phases, such as solitons and domain walls. Here we report a commensurate–incommensurate transition for graphene on top of hexagonal boron nitride (hBN). Depending on the rotation angle between the lattices of the two crystals, graphene can either stretch to adapt to a slightly different hBN periodicity (for small angles, resulting in a commensurate state) or exhibit little adjustment (the incommensurate state). In the commensurate state, areas with matching lattice constants are separated by domain walls that accumulate the generated strain. Such soliton-like objects are not only of significant fundamental interest, but their presence could also explain recent experiments where electronic and optical properties of graphene-hBN heterostructures were observed to be considerably altered. A single layer of graphene on top of a hexagonal boron-nitride sheet can stretch to form a commensurate structure, or not — depending on the rotation angle between the two layers. In the case of commensurability, strain gets concentrated in domain walls, resulting in soliton-like structures.

Graphene’s linear dispersion relation makes its charge carriers behave as if they were massless. However, near the Dirac point where graphene’s valence and conduction bands meet, electron–electron interactions cause this relation to diverge, such that it becomes strongly nonlinear and the effective carrier velocity doubles. In graphene, electron–electron interactions are expected to play a significant role, as the screening length diverges at the charge neutrality point and the conventional Landau theory that enables us to map a strongly interacting electronic liquid into a gas of non-interacting fermions is no longer applicable1,2. This should result in considerable changes in graphene’s linear spectrum, and even more dramatic scenarios, including the opening of an energy gap, have also been proposed3,4,5. Experimental evidence for such spectral changes is scarce, such that the strongest is probably a 20% difference between the Fermi velocities vF found in graphene and carbon nanotubes6. Here we report measurements of the cyclotron mass in suspended graphene for carrier concentrations n varying over three orders of magnitude. In contrast to the single-particle picture, the real spectrum of graphene is profoundly nonlinear near the neutrality point, and vF describing its slope increases by a factor of more than two and can reach ≈3×106 m s−1 at n<1010 cm−2. No gap is found at energies even as close to the Dirac point as ∼0.1 meV. The observed spectral changes are well described by the renormalization group approach, which yields corrections logarithmic in n.

Devices made from graphene encapsulated in hexagonal boron-nitride exhibit pronounced negative bend resistance and an anomalous Hall effect, which are a direct consequence of room-temperature ballistic transport at a micrometer scale for a wide range of carrier concentrations. The encapsulation makes graphene practically insusceptible to the ambient atmosphere and, simultaneously, allows the use of boron nitride as an ultrathin top gate dielectric.

Graphene hosts a unique electron system in which electron-phonon scattering is extremely weak but electron-electron collisions are sufficiently frequent to provide local equilibrium above the temperature of liquid nitrogen. Under these conditions, electrons can behave as a viscous liquid and exhibit hydrodynamic phenomena similar to classical liquids. Here we report strong evidence for this transport regime. We found that doped graphene exhibits an anomalous (negative) voltage drop near current-injection contacts, which is attributed to the formation of submicrometer-size whirlpools in the electron flow. The viscosity of graphene's electron liquid is found to be ~0.1 square meters per second, an order of magnitude higher than that of honey, in agreement with many-body theory. Our work demonstrates the possibility of studying electron hydrodynamics using high-quality graphene.