Two-dimensional nanomaterials such as MoS2 are of great interest both because of their novel physical properties and their applications potential. Liquid exfoliation, an important production method, is limited by our inability to quickly and easily measure nanosheet size, thickness or concentration. Here we demonstrate a method to simultaneously determine mean values of these properties from an optical extinction spectrum measured on a liquid dispersion of MoS2 nanosheets. The concentration measurement is based on the size-independence of the low-wavelength extinction coefficient, while the size and thickness measurements rely on the effect of edges and quantum confinement on the optical spectra. The resultant controllability of concentration, size and thickness facilitates the preparation of dispersions with pre-determined properties such as high monolayer-content, leading to first measurement of A-exciton MoS2 luminescence in liquid suspensions. These techniques are general and can be applied to a range of two-dimensional materials including WS2, MoSe2 and WSe2.

We study the ability of a plasmonic structure under illumination to release heat and induce fluid convection at the nanoscale. We first introduce the unified formalism associated with this multidisciplinary problem combining optics, thermodynamics, and hydrodynamics. On this basis, numerical simulations were performed to compute the temperature field and velocity field evolutions of the surrounding fluid for a gold disk on glass while illuminated at its plasmon resonance. We show that the velocity amplitude of the surrounding fluid has a linear dependence on the structure temperature and a quadratic dependence on the structure size (for a given temperature). The fluid velocity remains negligible for single nanometer-sized plasmonic structures (<1 nm/s) due to a very low Reynolds number. However thermal-induced fluid convection can play a significant role when considering either micrometer-size structures or an assembly of nanostructures.

Here we demonstrate inkjet printing of nanosheets of both graphene and MoS2 prepared by liquid exfoliation. We describe a protocol for the preparation of inks of nanosheets with well-defined size distribution and concentration up to 6 mg ml−1. Graphene traces were printed at low temperature (<70 °C) with no subsequent thermal or chemical treatment. Thin traces displayed percolation effects while traces with thickness above 160 nm displayed thickness-independent conductivity of 3000 S m−1. We also demonstrate the printing of semiconducting traces using solvent-exfoliated, size-selected MoS2 nanosheets. Such traces can be combined with inkjet-printed graphene interdigitated array electrodes to produce all-printed photodetectors.

Here, we demonstrate the production of large quantities of gallium sulfide (GaS) nanosheets by liquid exfoliation of layered GaS powder. The exfoliation was achieved by sonication of the powder in suitable solvents. The variation of dispersed concentration with solvent was consistent with classical solution thermodynamics and showed successful solvents to be those with Hildebrand solubility parameters close to 21.5 MPa1/2. In this way, nanosheets could be produced at concentrations of up to ∼0.2 mg/mL with lateral sizes and thicknesses of 50–1000 nm and 3–80 layers, respectively. The nanosheets appeared to be relatively defect-free although oxygen was observed in the vicinity of the edges. Using controlled centrifugation techniques, it was possible to prepare dispersions containing size-selected nanosheets. Spectroscopic measurements showed the optical properties of the dispersions to vary strongly with nanosheet size, allowing the elucidation of spectroscopic metrics for in situ estimation of nanosheet size and thickness. These techniques allow the production of nanosheets with controlled sizes, which will be important for certain applications. To demonstrate this, we prepared films of GaS nanosheets of three different sizes for use as hydrogen evolution electrocatalysts. We found a clear correlation between performance and size, showing small nanosheets to be more effective. This is consistent with the catalytically active sites residing on the nanosheet edges.

Liquid phase exfoliation is a powerful and scalable technique to produce defect-free mono- and few-layer graphene. However, samples are typically polydisperse and control over size and thickness is challenging. Notably, high throughput techniques to measure size and thickness are lacking. In this work, we have measured the extinction, absorption, scattering and Raman spectra for liquid phase exfoliated graphene nanosheets of various lateral sizes (90 ≤ 〈L〉 ≤ 810 nm) and thicknesses (2.7 ≤ 〈N〉 ≤ 10.4). We found all spectra to show well-defined dependences on nanosheet dimensions. Measurements of extinction and absorption spectra of nanosheet dispersions showed both peak position and spectral shape to vary with nanosheet thickness in a manner consistent with theoretical calculations. This allows the development of empirical metrics to extract the mean thickness of liquid dispersed nanosheets from an extinction (or absorption) spectrum. While the scattering spectra depended on nanosheet length, poor signal to noise ratios made the resultant length metric unreliable. By analyzing Raman spectra measured on graphene nanosheet networks, we found both the D/G intensity ratio and the width of the G-band to scale with mean nanosheet length allowing us to establish quantitative relationships. In addition, we elucidate the variation of 2D/G band intensities and 2D-band shape with the mean nanosheet thickness, allowing us to establish quantitative metrics for mean nanosheet thickness from Raman spectra.