Biosensors based on field-effect transistors (FETs) have attracted much attention, as they offer rapid, inexpensive, and label-free detection. While the low sensitivity of FET biosensors based on bulk 3D structures has been overcome by using 1D structures (nanotubes/nanowires), the latter face severe fabrication challenges, impairing their practical applications. In this paper, we introduce and demonstrate FET biosensors based on molybdenum disulfide (MoS2), which provides extremely high sensitivity and at the same time offers easy patternability and device fabrication, due to its 2D atomically layered structure. A MoS2-based pH sensor achieving sensitivity as high as 713 for a pH change by 1 unit along with efficient operation over a wide pH range (3–9) is demonstrated. Ultrasensitive and specific protein sensing is also achieved with a sensitivity of 196 even at 100 femtomolar concentration. While graphene is also a 2D material, we show here that it cannot compete with a MoS2-based FET biosensor, which surpasses the sensitivity of that based on graphene by more than 74-fold. Moreover, we establish through theoretical analysis that MoS2 is greatly advantageous for biosensor device scaling without compromising its sensitivity, which is beneficial for single molecular detection. Furthermore, MoS2, with its highly flexible and transparent nature, can offer new opportunities in advanced diagnostics and medical prostheses. This unique fusion of desirable properties makes MoS2 a highly potential candidate for next-generation low-cost biosensors.

Transition metal dichalcogenides (TMDs), belonging to the class of two-dimensional (2D) layered materials, have instigated a lot of interest in diverse application fields due to their unique electrical, mechanical, magnetic, and optical properties. Tuning the electrical properties of TMDs through charge transfer or doping is necessary for various optoelectronic applications. This paper presents the experimental investigation of the doping effect on TMDs, mainly focusing on molybdenum disulfide (MoS2), by metallic nanoparticles (NPs), exploring noble metals such as silver (Ag), palladium (Pd), and platinum (Pt) as well as the low workfunction metals such as scandium (Sc) and yttrium (Y) for the first time. The dependence of the doping behavior of MoS2 on the metal workfunction is demonstrated and it is shown that Pt nanoparticles can lead to as large as 137 V shift in threshold voltage of a back-gated monolayered MoS2 FET. Variation of the MoS2 FET transfer curves with the increase in the dose of NPs as well as the effect of the number of MoS2 layers on the doping characteristics are also discussed for the first time. Moreover, the doping effect on WSe2 is studied with the first demonstration of p-type doping using Pt NPs. Apart from doping, the use of metallic NP functionalized TMDs for gas sensing application is also demonstrated.

It is critically important to develop actuator systems for diverse needs ranging from robots and sensors to memory chips. The advancement of mechanical actuators depends on the development of new materials and rational structure design. In this study, we have developed a novel graphene electrochemical actuator based on a rationally designed monolithic graphene film with asymmetrically modified surfaces. Hexane and O2 plasma treatment were applied to the opposite sides of graphene film to induce the asymmetrical surface properties and hence asymmetrical electrochemical responses, responsible for actuation behaviors. The newly designed graphene actuator demonstrated here opens a new way for actuator fabrication and shows the potential of graphene film for applications in various electromechanical systems.