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.

Strongly anisotropic media, where the principal components of the dielectric tensor have opposite signs, are called hyperbolic. Such materials exhibit unique nanophotonic properties enabled by the highly directional propagation of slow-light modes localized at deeply sub-diffractional length scales. While artificial hyperbolic metamaterials have been demonstrated, they suffer from high plasmonic losses and require complex nanofabrication, which in turn induces size-dependent limitations on optical confinement. The low-loss, mid-infrared, natural hyperbolic material hexagonal boron nitride is an attractive alternative. Here we report on three-dimensionally confined ‘hyperbolic polaritons’ in boron nitride nanocones that support four series (up to the seventh order) modes in two spectral bands. The resonant modes obey the predicted aspect ratio dependence and exhibit high-quality factors (Q up to 283) in the strong confinement regime (up to λ/86). These observations assert hexagonal boron nitride as a promising platform for studying novel regimes of light–matter interactions and nanophotonic device engineering. Hyperbolic metamaterials exhibit interesting optical phenomena that could provide useful functionalities, if the losses can be reduced. Here Caldwell et al.show that hexagonal boron nitride supports hyperbolic polaritons, presenting a natural alternative to metamaterial systems.

Recent developments in the technology of van der Waals heterostructures made from two-dimensional atomic crystals have already led to the observation of new physical phenomena, such as the metal-insulator transition and Coulomb drag, and to the realisation of functional devices, such as tunnel diodes, tunnel transistors and photovoltaic sensors. An unprecedented degree of control of the electronic properties is available not only by means of the selection of materials in the stack but also through the additional fine-tuning achievable by adjusting the built-in strain and relative orientation of the component layers. Here we demonstrate how careful alignment of the crystallographic orientation of two graphene electrodes, separated by a layer of hexagonal boron nitride (hBN) in a transistor device, can achieve resonant tunnelling with conservation of electron energy, momentum and, potentially, chirality. We show how the resonance peak and negative differential conductance in the device characteristics induces a tuneable radio-frequency oscillatory current which has potential for future high frequency technology.

Many layered materials can be cleaved down to individual atomic planes, similar to graphene, but only a small minority of them are stable under ambient conditions. The rest react and decompose in air, which has severely hindered their investigation and potential applications. Here we introduce a remedial approach based on cleavage, transfer, alignment, and encapsulation of air-sensitive crystals, all inside a controlled inert atmosphere. To illustrate the technology, we choose two archetypal two-dimensional crystals that are of intense scientific interest but are unstable in air: black phosphorus and niobium diselenide. Our field-effect devices made from their monolayers are conductive and fully stable under ambient conditions, which is in contrast to the counterparts processed in air. NbSe2 remains superconducting down to the monolayer thickness. Starting with a trilayer, phosphorene devices reach sufficiently high mobilities to exhibit Landau quantization. The approach offers a venue to significantly expand the range of experimentally accessible two-dimensional crystals and their heterostructures.

Hexagonal boron nitride is the only substrate that has so far allowed graphene devices exhibiting micron-scale ballistic transport. Can other atomically flat crystals be used as substrates for making quality graphene heterostructures? Here we report on our search for alternative substrates. The devices fabricated by encapsulating graphene with molybdenum or tungsten disulphides and hBN are found to exhibit consistently high carrier mobilities of about 60,000 cm$^{2}$V$^{-1}$s$^{-1}$. In contrast, encapsulation with atomically flat layered oxides such as mica, bismuth strontium calcium copper oxide and vanadium pentoxide results in exceptionally low quality of graphene devices with mobilities of ~ 1,000 cm$^{2}$ V$^{-1}$s$^{-1}$. We attribute the difference mainly to self-cleansing that takes place at interfaces between graphene, hBN and transition metal dichalcogenides. Surface contamination assembles into large pockets allowing the rest of the interface to become atomically clean. The cleansing process does not occur for graphene on atomically flat oxide substrates.

Monolayers of molybdenum and tungsten dichalcogenides are direct bandgap semiconductors, which makes them promising for opto-electronic applications. In particular, van der Waals heterostructures consisting of monolayers of MoS2 sandwiched between atomically thin hexagonal boron nitride (hBN) and graphene electrodes allows one to obtain light emitting quantum wells (LEQWs) with low-temperature external quantum efficiency (EQE) of 1%. However, the EQE of MoS2 and MoSe2-based LEQWs shows behavior common for many other materials: it decreases fast from cryogenic conditions to room temperature, undermining their practical applications. Here we compare MoSe2 and WSe2 LEQWs. We show that the EQE of WSe2 devices grows with temperature, with room temperature EQE reaching 5%, which is 250x more than the previous best performance of MoS2 and MoSe2 quantum wells in ambient conditions. We attribute such a different temperature dependences to the inverted sign of spin-orbit splitting of conduction band states in tungsten and molybdenum dichalcogenides, which makes the lowest-energy exciton in WSe2 dark.

Abstract When two-dimensional crystals are brought into close proximity, their interaction results in reconstruction of electronic spectrum and crystal structure. Such reconstruction strongly depends on the twist angle between the crystals, which has received growing attention due to interesting electronic and optical properties that arise in graphene and transitional metal dichalcogenides. Here we study two insulating crystals of hexagonal boron nitride stacked at small twist angle. Using electrostatic force microscopy, we observe ferroelectric-like domains arranged in triangular superlattices with a large surface potential. The observation is attributed to interfacial elastic deformations that result in out-of-plane dipoles formed by pairs of boron and nitrogen atoms belonging to opposite interfacial surfaces. This creates a bilayer-thick ferroelectric with oppositely polarized (BN and NB) dipoles in neighbouring domains, in agreement with our modeling. These findings open up possibilities for designing van der Waals heterostructures and offer an alternative probe to study moiré-superlattice electrostatic potentials.