Abstract Although hexagonal boron nitride (h-BN) is a good candidate for gate-insulating materials by minimizing interaction from substrate, further applications to electronic devices with available two-dimensional semiconductors continue to be limited by flake size. While monolayer h-BN has been synthesized on Pt and Cu foil using chemical vapour deposition (CVD), multilayer h-BN is still absent. Here we use Fe foil and synthesize large-area multilayer h-BN film by CVD with a borazine precursor. These films reveal strong cathodoluminescence and high mechanical strength (Young’s modulus: 1.16±0.1 TPa), reminiscent of formation of high-quality h-BN. The CVD-grown graphene on multilayer h-BN film yields a high carrier mobility of ∼24,000 cm 2 V −1 s −1 at room temperature, higher than that (∼13,000 2 V −1 s −1 ) with exfoliated h-BN. By placing additional h-BN on a SiO 2 /Si substrate for a MoS 2 (WSe 2 ) field-effect transistor, the doping effect from gate oxide is minimized and furthermore the mobility is improved by four (150) times.

Since graphene became available by a scotch tape technique, a vast class of two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) layered materials has been researched intensively. What is more intriguing is that the well-known physics and chemistry of three-dimensional (3D) bulk materials are often irrelevant, revealing exotic phenomena in 2D vdW materials. By further constructing heterostructures of these materials in the planar and vertical directions, which can be easily achieved via simple exfoliation techniques, numerous quantum mechanical devices have been demonstrated for fundamental research and technological applications. It is, therefore, necessary to review the special features in 2D vdW materials and to discuss the remaining issues and challenges. Here, we review the vdW materials library, technology relevance, and specialties of vdW materials covering the vdW interaction, strong Coulomb interaction, layer dependence, dielectric screening engineering, work function modulation, phase engineering, heterostructures, stability, growth issues, and the remaining challenges.

Wafer-scale hBN crystalline films Although wafer-scale polycrystalline films of insulating hexagonal boron nitride (hBN) can be grown, the grain boundaries can cause both scattering or pinning of charge carriers in adjacent conducting layers that impair device performance. Lee et al. grew wafer-scale single-crystal films of hBN by feeding the precursors into molten gold films on tungsten substrates. The low solubility of boron and nitrogen in gold caused micrometer-scale grains of hBN to form that coalesced into single crystals. These films in turn supported the growth of epitaxial wafer-scale films of graphene and tungsten disulfide. Science , this issue p. 817

We report the synthesis of centimeter-scale, uniform 1T'- and 2H-MoTe2 thin films via the tellurization of Mo thin films. 1T'-MoTe2 was initially grown and converted gradually to 2H-MoTe2 over a prolonged growth time under a Te atmosphere. Maintaining excessive Te was essential for obtaining the stable stoichiometric 2H-MoTe2 phase. Further annealing under a lower partial pressure of Te at the same temperature, followed by a rapid quenching, led to the reverse phase transition from 2H-MoTe2 to 1T'-MoTe2. The orientation of the 2H-MoTe2 film was determined by the tellurization rate. Slow tellurization was the key for obtaining a highly oriented 2H-MoTe2 film over the entire area, while fast tellurization led to a 2H-MoTe2 film with a randomly oriented c-axis.

Monolayer tungsten disulfides (WS2) constitute a high quantum yield two-dimensional (2D) system, and can be synthesized on a large area using chemical vapor deposition (CVD), suggesting promising nanophotonics applications. However, spatially nonuniform photoluminescence (PL) intensities and peak wavelengths observed in single WS2 grains have puzzled researchers, with the origins of variation in relative contributions of excitons, trions, and biexcitons to the PL emission not well understood. Here, we present nanoscale PL and Raman spectroscopy images of triangular CVD-grown WS2 monolayers of different sizes, with these images obtained under different temperatures and values of excitation power. Intense PL emissions were observed around the edges of individual WS2 grains and the grain boundaries between partly merged WS2 grains. The predominant origin of the main PL emission from these regions changed from neutral excitons to trions and biexcitons with increasing laser excitation power, with biexcitons completely dominating the PL emission for the high-power condition. The intense PL emission and the preferential formation of biexcitons in the edges and grain boundaries of monolayer WS2 were attributed to larger population of charge carriers caused by the excessive incorporation of growth promoters during the CVD, suggesting positive roles of excessive carriers in the PL efficiency of TMD monolayers. Our comprehensive nanoscale spectroscopic investigation sheds light on the dynamic competition between exciton complexes occurring in monolayer WS2, suggesting a rich variety of ways to engineer new nanophotonic functions using 2D transition metal dichalcogenide monolayers.

The effective application of graphene and other 2D materials is strongly dependent on the industrial-scale manufacturing of films and powders of appropriate morphology and quality. Here, we discuss three state-of-the-art mass production techniques, their limitations, and opportunities for future improvement. The industrial application of two-dimensional (2D) materials strongly depends on the large-scale manufacturing of high-quality 2D films and powders. Here, the authors analyze three state-of-the art mass production techniques, discussing the recent progress and remaining challenges for future improvements.

Hexagonal boron nitride (h-BN) has recently been in the spotlight due to its numerous applications including its being an ideal substrate for two-dimensional electronics, a tunneling material for vertical tunneling devices, and a growth template for heterostructures. However, to obtain a large area of h-BN film while maintaining uniform thickness is still challenging and has not been realized. Here, we report the systematical study of h-BN growth on Pt foil by using low pressure chemical vapor deposition with a borazine source. The monolayer h-BN film was obtained over the whole Pt foil (2 × 5 cm2) under <100 mTorr, where the size is limited only by the Pt foil size. A borazine source was catalytically decomposed on the Pt surface, leading to the self-limiting growth of the monolayer without the associating precipitation, which is very similar to the growth of graphene on Cu. The orientation of the h-BN domains was largely confined by the Pt domain, which is confirmed by polarizing optical microscopy (POM) assisted by the nematic liquid crystal (LC) film. The total pressure and orientation of the Pt lattice plane are crucial parameters for thickness control. At high pressure (∼0.5 Torr), thick film was grown on Pt (111), and in contrast, thin film was grown on Pt (001). Our advances in monolayer h-BN growth will play an important role to further develop a high quality h-BN film that can be used for vertical tunneling, optoelectronic devices and growth templates for a variety of heterostructures.

We investigated the physical properties of molybdenum disulfide (MoS2) atomic crystals with a sulfur vacancy passivation after treatment with alkanethiol molecules including their electrical, Raman, and photoluminescence (PL) characteristics. MoS2, one of the transition metal dichalcogenide materials, is a promising two-dimensional semiconductor material with good physical properties. It is known that sulfur vacancies exist in MoS2, resulting in the n-type behavior of MoS2. The sulfur vacancies on the MoS2 surface tend to form covalent bonds with sulfur-containing groups. In this study, we deposited alkanethiol molecules on MoS2 field effect transistors (FETs) and then characterized the electrical properties of the devices before and after the alkanethiol treatment. We observed that the electrical characteristics of MoS2 FETs dramatically changed after the alkanethiol treatment. We also observed that the Raman and PL spectra of MoS2 films changed after the alkanethiol treatment. These effects are attributed to the thiol (−SH) end groups in alkanethiols bonding at sulfur vacancy sites, thus altering the physical properties of the MoS2. This study will help us better understand the electrical and optical properties of MoS2 and suggest a way of tailoring the properties of MoS2 by passivating a sulfur vacancy with thiol molecules.