Density functional theory calculations are performed to unravel the nature of the contact between metal electrodes and monolayer MoS2. Schottky barriers are shown to be present for a variety of metals with the work functions spanning over 4.2–6.1 eV. Except for the p-type Schottky contact with platinum, the Fermi levels in all of the studied metal–MoS2 complexes are situated above the midgap of MoS2. The mechanism of the Fermi level pinning at metal–MoS2 contact is shown to be unique for metal–2D-semiconductor interfaces, remarkably different from the well-known Bardeen pinning effect, metal-induced gap states, and defect/disorder induced gap states, which are applicable to traditional metal–semiconductor junctions. At metal–MoS2 interfaces, the Fermi level is partially pinned as a result of two interface behaviors: first by a metal work function modification by interface dipole formation due to the charge redistribution, and second by the production of gap states mainly of Mo d-orbitals character by the weakened intralayer S–Mo bonding due to the interface metal–S interaction. This finding would provide guidance to develop approaches to form Ohmic contact to MoS2.

Metal-graphene contact is a key interface in graphene-based device applications, and it is known that two types of interfaces are formed between metal and graphene. In this paper, we apply first-principles calculations to twelve metal-graphene interfaces and investigate the detailed interface atomic and electronic structures of physisorption and chemisorption interfaces. For physisorption interfaces (Ag, Al, Cu, Cd, Ir, Pt, and Au), Fermi level pinning and Pauli-exclusion-induced energy-level shifts are shown to be two primary factors determining graphene’s doping types and densities. For chemisorption interfaces (Ni, Co, Ru, Pd, and Ti), the combination of Pauli-exclusion-induced energy-level shifts and hybridized states’ repulsive interactions lead to a band gap opening with metallic gap states. For practical applications, we show that external electric field can be used to modulate graphene’s energy-levels and the corresponding control of doping or energy range of hybridization.

A detailed in situ infrared spectroscopy analysis of single layer and multilayered graphene oxide (GO) thin films reveals that the normalized infrared absorption in the carbonyl region is substantially higher in multilayered GO upon mild annealing. These results highlight the fact that the reduction chemistry of multilayered GO is dramatically different from the single layer GO due to the presence of water molecules confined in the ∼1 nm spacing between sheets. IR spectroscopy, XPS analysis, and DFT calculations all confirm that the water molecules play a significant role interacting with basal plane etch holes through passivation, via evolution of CO(2) leading to the formation of ketone and ester carbonyl groups. Displacement of water from intersheet spacing with alcohol significantly changes the chemistry of carbonyl formation with temperature.

Research on two-dimensional (2D) materials has been explosively increasing in last seventeen years in varying subjects including condensed matter physics, electronic engineering, materials science, and chemistry since the mechanical exfoliation of graphene in 2004.Starting from graphene, 2D materials now have become a big family with numerous members and diverse categories.The unique structural features and physicochemical properties of 2D materials make them one class of the most appealing candidates for a wide range of potential applications.In particular, we have seen some major breakthroughs made in the field of 2D materials in last five years not only in developing novel synthetic methods and exploring new structures/properties but also in identifying innovative applications and pushing forward commercialisation.In this review, we provide a critical summary on the recent progress made in the field of 2D materials with a particular focus on last five years.After a brief background 物理化学学报 Acta Phys.-Chim.Sin.2021, 37 (12), 2108017 (3 of 151) introduction, we first discuss the major synthetic methods for 2D materials, including the mechanical exfoliation, liquid exfoliation, vapor phase deposition, and wet-chemical synthesis as well as phase engineering of 2D materials belonging to the field of phase engineering of nanomaterials (PEN).We then introduce the superconducting/optical/magnetic properties and chirality of 2D materials along with newly emerging magic angle 2D superlattices.Following that, the promising applications of 2D materials in electronics, optoelectronics, catalysis, energy storage, solar cells, biomedicine, sensors, environments, etc. are described sequentially.Thereafter, we present the theoretic calculations and simulations of 2D materials.Finally, after concluding the current progress, we provide some personal discussions on the existing challenges and future outlooks in this rapidly developing field.

Tunnel field effect transistors (TFETs) based on vertical stacking of two dimensional materials are of interest for low-power logic devices. The monolayer transition metal dichalcogenides (TMDs) with sizable band gaps show promise in building p-n junctions (couples) for TFET applications. Band alignment information is essential for realizing broken gap junctions with excellent electron tunneling efficiencies. Promising couples composed of monolayer TMDs are suggested to be VIB-MeX2 (Me = W, Mo; X = Te, Se) as the n-type source and IVB-MeX2 (Me = Zr, Hf; X = S, Se) as the p-type drain by density functional theory calculations.

The understanding of the metal and transition metal dichalcogenide (TMD) interface is critical for future electronic device technologies based on this new class of two-dimensional semiconductors. Here, we investigate the initial growth of nanometer-thick Pd, Au, and Ag films on monolayer MoS2. Distinct growth morphologies are identified by atomic force microscopy: Pd forms a uniform contact, Au clusters into nanostructures, and Ag forms randomly distributed islands on MoS2. The formation of these different interfaces is elucidated by large-scale spin-polarized density functional theory calculations. Using Raman spectroscopy, we find that the interface homogeneity shows characteristic Raman shifts in E2g(1) and A1g modes. Interestingly, we show that insertion of graphene between metal and MoS2 can effectively decouple MoS2 from the perturbations imparted by metal contacts (e.g., strain), while maintaining an effective electronic coupling between metal contact and MoS2, suggesting that graphene can act as a conductive buffer layer in TMD electronics.

Materials that are simultaneously ferromagnetic and ferroelectric - multiferroics - promise the control of disparate ferroic orders, leading to technological advances in microwave magnetoelectric applications and next generation of spintronics. Single-phase multiferroics are challenged by the opposite d-orbital occupations imposed by the two ferroics, and heterogeneous nanocomposite multiferroics demand ingredients' structural compatibility with the resultant multiferroicity exclusively at inter-materials boundaries. Here we propose the two-dimensional heterostructure multiferroics by stacking up atomic layers of ferromagnetic Cr2Ge2Te6 and ferroelectric In2Se3, thereby leading to all-atomic multiferroicity. Through first-principles density functional theory calculations, we find as In2Se3 reverses its polarization, the magnetism of Cr2Ge2Te6 is switched, and correspondingly In2Se3 becomes a switchable magnetic semiconductor due to proximity effect. This unprecedented multiferroic duality (i.e., switchable ferromagnet and switchable magnetic semiconductor) enables both layers for logic applications. Van der Waals heterostructure multiferroics open the door for exploring the low-dimensional magnetoelectric physics and spintronic applications based on artificial superlattices.

Magnetic van der Waals (vdW) materials have emerged as promising candidates for spintronics applications, especially after the recent discovery of intrinsic ferromagnetism in monolayer vdW materials. There has been a critical need for tunable ferromagnetic vdW materials beyond room temperature. Here, we report a real-space imaging study of itinerant ferromagnet Fe3GeTe2 and the enhancement of its Curie temperature well above ambient temperature. We find that the magnetic long-range order in Fe3GeTe2 is characterized by an unconventional out-of-plane stripe-domain phase. In Fe3GeTe2 microstructures patterned by a focused ion beam, the out-of-plane stripe domain phase undergoes a surprising transition at 230 K to an in-plane vortex phase that persists beyond room temperature. The discovery of tunable ferromagnetism in Fe3GeTe2 materials opens up vast opportunities for utilizing vdW magnets in room-temperature spintronics devices.