2D van der Waals (vdW) materials have been considered as potential building blocks for use in fundamental elements of electronic and optoelectronic devices, such as electrodes, channels, and dielectrics, because of their diverse and remarkable electrical properties. Furthermore, two or more building blocks of different electronic types can be stacked vertically to generate vdW heterostructures with desired electrical behaviors. However, such fundamental approaches cannot directly be applied practically because of issues such as precise alignment/positioning and large-quantity material production. Here, these limitations are overcome and wafer-scale vdW heterostructures are demonstrated by exploiting the lateral and vertical assembly of solution-processed 2D vdW materials. The high exfoliation yield of the molecular intercalation-assisted approach enables the production of micrometer-sized nanosheets in large quantities and its lateral assembly in a wafer-scale via vdW interactions. Subsequently, the laterally assembled vdW thin-films are vertically assembled to demonstrate various electronic device applications, such as transistors and photodetectors. Furthermore, multidimensional vdW heterostructures are demonstrated by integrating 1D carbon nanotubes as a p-type semiconductor to fabricate p-n diodes and complementary logic gates. Finally, electronic devices are fabricated via inkjet printing as a lithography-free manner based on the stable nanomaterial dispersions.

Department of Chemical and Biomolecular Engineering Yonsei University Seoul 03722 Republic of Korea

Department of Inorganic Chemistry University of Chemistry and Technology Prague Technicka 5 Prague 6 166 28 Czech Republic

Nanophotonics Research Center Korea Institute of Science and Technology Seoul 02792 Republic of Korea

School of Advanced Materials Science and Engineering Sungkyunkwan University Suwon 16419 Republic of Korea

Zobrazit více v PubMed

a) K. S. Novoselov, V. I. Fal'ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, K. Kim, Nature 2012, 490, 192;

b) Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 699;

c) D. Jariwala, V. K. Sangwan, L. J. Lauhon, T. J. Marks, M. C. Hersam, ACS Nano 2014, 8, 1102.

K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva, A. A. Firsov, Science 2004, 306, 666.

a) B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, A. Kis, Nat. Nanotechnol. 2011, 6, 147;

b) C. R. Dean, A. F. Young, I. Meric, C. Lee, L. Wang, S. Sorgenfrei, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, K. L. Shepard, J. Hone, Nat. Nanotechnol. 2010, 5, 722;

c) K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan, T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 2010, 105, 136805.

a) Y. Liu, N. O. Weiss, X. D. Duan, H. C. Cheng, Y. Huang, X. F. Duan, Nat. Rev. Mater. 2016, 1, 16042;

b) D. Jariwala, T. J. Marks, M. C. Hersam, Nat. Mater. 2017, 16, 170;

c) A. K. Geim, I. V. Grigorieva, Nature 2013, 499, 419;

d) L. Wang, I. Meric, P. Y. Huang, Q. Gao, Y. Gao, H. Tran, T. Taniguchi, K. Watanabe, L. M. Campos, D. A. Muller, J. Guo, P. Kim, J. Hone, K. L. Shepard, C. R. Dean, Science 2013, 342, 614.

Z. Y. Lin, Y. Huang, X. F. Duan, Nat. Electron. 2019, 2, 378.

G. H. Lee, X. Cui, Y. D. Kim, G. Arefe, X. Zhang, C. H. Lee, F. Ye, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, J. Hone, ACS Nano 2015, 9, 7019.

F. Withers, O. Del Pozo-Zamudio, A. Mishchenko, A. P. Rooney, A. Gholinia, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. J. Haigh, A. K. Geim, A. I. Tartakovskii, K. S. Novoselov, Nat. Mater. 2015, 14, 301.

X. Cui, G. H. Lee, Y. D. Kim, G. Arefe, P. Y. Huang, C. H. Lee, D. A. Chenet, X. Zhang, L. Wang, F. Ye, F. Pizzocchero, B. S. Jessen, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. A. Muller, T. Low, P. Kim, J. Hone, Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 534.

a) M. Y. Li, Y. M. Shi, C. C. Cheng, L. S. Lu, Y. C. Lin, H. L. Tang, M. L. Tsai, C. W. Chu, K. H. Wei, J. H. He, W. H. Chang, K. Suenaga, L. J. Li, Science 2015, 349, 524;

b) R. Cheng, D. H. Li, H. L. Zhou, C. Wang, A. X. Yin, S. Jiang, Y. Liu, Y. Chen, Y. Huang, X. F. Duan, Nano Lett. 2014, 14, 5590.

a) L. Britnell, R. V. Gorbachev, R. Jalil, B. D. Belle, F. Schedin, A. Mishchenko, T. Georgiou, M. I. Katsnelson, L. Eaves, S. V. Morozov, N. M. R. Peres, J. Leist, A. K. Geim, K. S. Novoselov, L. A. Ponomarenko, Science 2012, 335, 947;

b) A. Mishchenko, J. S. Tu, Y. Cao, R. V. Gorbachev, J. R. Wallbank, M. T. Greenaway, V. E. Morozov, S. V. Morozov, M. J. Zhu, S. L. Wong, F. Withers, C. R. Woods, Y. J. Kim, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. E. Vdovin, O. Makarovsky, T. M. Fromhold, V. I. Fal'ko, A. K. Geim, L. Eaves, K. S. Novoselov, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 808.

A. Avsar, I. J. Vera-Marun, J. Y. Tan, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. H. Castro Neto, B. Ozyilmaz, ACS Nano 2015, 9, 4138.

Z. Y. Lin, Y. Liu, U. Halim, M. N. Ding, Y. Y. Liu, Y. L. Wang, C. C. Jia, P. Chen, X. D. Duan, C. Wang, F. Song, M. F. Li, C. Z. Wan, Y. Huang, X. F. Duan, Nature 2018, 562, 254.

a) G. H. Hu, J. Kang, L. W. T. Ng, X. X. Zhu, R. C. T. Howe, C. G. Jones, M. C. Hersam, T. Hasan, Chem. Soc. Rev. 2018, 47, 3265;

b) J. Kang, V. K. Sangwan, J. D. Wood, M. C. Hersam, Acc. Chem. Res. 2017, 50, 943;

c) V. Nicolosi, M. Chhowalla, M. G. Kanatzidis, M. S. Strano, J. N. Coleman, Science 2013, 340, 1226419;

d) J. N. Coleman, M. Lotya, A. O'Neill, S. D. Bergin, P. J. King, U. Khan, K. Young, A. Gaucher, S. De, R. J. Smith, I. V. Shvets, S. K. Arora, G. Stanton, H. Y. Kim, K. Lee, G. T. Kim, G. S. Duesberg, T. Hallam, J. J. Boland, J. J. Wang, J. F. Donegan, J. C. Grunlan, G. Moriarty, A. Shmeliov, R. J. Nicholls, J. M. Perkins, E. M. Grieveson, K. Theuwissen, D. W. McComb, P. D. Nellist, et al., Science 2011, 331, 568.

C. Backes, B. M. Szydlowska, A. Harvey, S. J. Yuan, V. Vega-Mayoral, B. R. Davies, P. L. Zhao, D. Hanlon, E. J. G. Santos, M. I. Katsnelson, W. J. Blau, C. Gadermaier, J. N. Coleman, ACS Nano 2016, 10, 1589.

a) Z. Zeng, Z. Yin, X. Huang, H. Li, Q. He, G. Lu, F. Boey, H. Zhang, Angew. Chem., Int. Ed. 2011, 50, 11093;

b) A. Raza, J. Z. Hassan, M. Ikram, S. Ali, U. Farooq, Q. Khan, M. Maqbool, Adv. Mater. Interfaces 2021, 8, 2002205.

a) S. Yang, M. R. Lohe, K. Mullen, X. L. Feng, Adv. Mater. 2016, 28, 6213;

b) S. Yang, A. G. Ricciardulli, S. Liu, R. Dong, M. R. Lohe, A. Becker, M. A. Squillaci, P. Samori, K. Mullen, X. Feng, Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 6669.

a) A. G. Kelly, T. Hallam, C. Backes, A. Harvey, A. S. Esmaeily, I. Godwin, J. Coelho, V. Nicolosi, J. Lauth, A. Kulkarni, S. Kinge, L. D. A. Siebbeles, G. S. Duesberg, J. N. Coleman, Science 2017, 356, 69;

b) R. F. Hossain, A. B. Kaul, J. Vac. Sci. Technol. B 2020, 38, 042206;

c) D. McManus, S. Vranic, F. Withers, V. Sanchez-Romaguera, M. Macucci, H. Yang, R. Sorrentino, K. Parvez, S.-K. Son, G. Iannaccone, K. Kostarelos, G. Fiori, C. Casiraghi, Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 343;

d) H. Yang, F. Withers, E. Gebremedhn, E. Lewis, L. Britnell, A. Felten, V. Palermo, S. Haigh, D. Beljonne, C. Casiraghi, 2D Mater. 2014, 1, 011012.

S. De, J. N. Coleman, ACS Nano 2010, 4, 2713.

A. Splendiani, L. Sun, Y. B. Zhang, T. S. Li, J. Kim, C. Y. Chim, G. Galli, F. Wang, Nano Lett. 2010, 10, 1271.

J. Zhu, J. Kang, J. M. Kang, D. Jariwala, J. D. Wood, J. W. T. Seo, K. S. Chen, T. J. Marks, M. C. Hersam, Nano Lett. 2015, 15, 7029.

D. W. McNeill, S. Bhattacharya, H. Wadsworth, F. H. Ruddell, S. J. N. Mitchell, B. M. Armstrong, H. S. Gamble, J. Mater. Sci.: Mater. Electron. 2008, 19, 119.

S. Lai, S. Byeon, S. K. Jang, J. Lee, B. H. Lee, J. H. Park, Y. H. Kim, S. Lee, Nanoscale 2018, 10, 18758.

L. Zhang, M. Liu, W. Ren, Z. Y. Zhou, G. H. Dong, Y. J. Zhang, B. Peng, X. H. Hao, C. Y. Wang, Z. D. Jiang, W. X. Jing, Z. G. Ye, Rsc. Adv. 2017, 7, 8388.

K.-L. Lin, T.-H. Hou, J. Shieh, J.-H. Lin, C.-T. Chou, Y.-J. Lee, J. Appl. Phys. 2011, 109, 084104.

M. A. Lukowski, A. S. Daniel, F. Meng, A. Forticaux, L. Li, S. Jin, J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 10274.

J. Yota, H. Shen, R. Ramanathan, J. Vac. Sci. Technol. A 2013, 31, 01A134.

a) Y. Choi, J. Kang, E. B. Secor, J. Sun, H. Kim, J. A. Lim, M. S. Kang, M. C. Hersam, J. H. Cho, Adv. Funct. Mater. 2018, 28, 1802610;

b) H. Shi, L. Ding, D. Zhong, J. Han, L. Liu, L. Xu, P. Sun, H. Wang, J. Zhou, L. Fang, Z. Zhang, L.-M. Peng, Nat. Electron. 2021, 4, 405.

M. Amani, D.-H. Lien, D. Kiriya, J. Xiao, A. Azcatl, J. Noh, S. R. Madhvapathy, R. Addou, S. Kc, M. Dubey, K. Cho, R. M. Wallace, S.-C. Lee, J.-H. He, J. W. Ager, X. Zhang, E. Yablonovitch, A. Javey, Science 2015, 350, 1065.

a) Y. Xi, M. I. Serna, L. Cheng, Y. Gao, M. Baniasadi, R. Rodriguez-Davila, J. Kim, M. A. Quevedo-Lopez, M. Minary-Jolandan, J. Mater. Chem. C 2015, 3, 3842;

b) X. Yu, M. S. Prévot, K. Sivula, Chem. Mater. 2014, 26, 5892;

c) J. Li, M. M. Naiini, S. Vaziri, M. C. Lemme, M. Östling, Adv. Funct. Mater. 2014, 24, 6524;

d) J. Robertson, D. Blomdahl, K. Islam, T. Ismael, M. Woody, J. Failla, M. Johnson, X. Zhang, M. Escarra, Appl. Phys. Lett. 2019, 114, 163102.

X. Gao, J. Yin, G. Bian, H.-Y. Liu, C.-P. Wang, X.-X. Pang, J. Zhu, Nano Res. 2021, 14, 2255.

Y. Liu, J. Guo, E. Zhu, L. Liao, S.-J. Lee, M. Ding, I. Shakir, V. Gambin, Y. Huang, X. Duan, Nature 2018, 557, 696.

M. Buscema, J. O. Island, D. J. Groenendijk, S. I. Blanter, G. A. Steele, H. S. J. van der Zant, A. Castellanos-Gomez, Chem. Soc. Rev. 2015, 44, 3691.

a) J. Kang, S. A. Wells, V. K. Sangwan, D. Lam, X. L. Liu, L. X. Jan, Z. Sofer, M. C. Hersam, Adv. Mater. 2018, 30, 1802990;

b) D. Kufer, G. Konstantatos, Nano Lett. 2015, 15, 7307.

a) Z. Y. Yin, H. Li, H. Li, L. Jiang, Y. M. Shi, Y. H. Sun, G. Lu, Q. Zhang, X. D. Chen, H. Zhang, ACS Nano 2012, 6, 74;

b) M. M. Furchi, D. K. Polyushkin, A. Pospischil, T. Mueller, Nano Lett. 2014, 14, 6165;

c) X. D. Wang, P. Wang, J. L. Wang, W. D. Hu, X. H. Zhou, N. Guo, H. Huang, S. Sun, H. Shen, T. Lin, M. H. Tang, L. Liao, A. Q. Jiang, J. L. Sun, X. J. Meng, X. S. Chen, W. Lu, J. H. Chu, Adv. Mater. 2015, 27, 6575;

d) J. Kwon, Y. K. Hong, G. Han, I. Omkaram, W. Choi, S. Kim, Y. Yoon, Adv. Mater. 2015, 27, 2224;

e) Y. Huang, F. W. Zhuge, J. X. Hou, L. Lv, P. Luo, N. Zhou, L. Gan, T. Y. Zhai, ACS Nano 2018, 12, 4062;

f) D. H. Kang, S. R. Pae, J. Shim, G. Yoo, J. Jeon, J. W. Leem, J. S. Yu, S. Lee, B. Shin, J. H. Park, Adv. Mater. 2016, 28, 7799;

g) D. H. Kang, M. S. Kim, J. Shim, J. Jeon, H. Y. Park, W. S. Jung, H. Y. Yu, C. H. Pang, S. Lee, J. H. Park, Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4219;

h) D. Kufer, I. Nikitskiy, T. Lasanta, G. Navickaite, F. H. L. Koppens, G. Konstantatos, Adv. Mater. 2015, 27, 176;

i) F. Bonaccorso, Z. Sun, T. Hasan, A. C. Ferrari, Nat. Photonics 2010, 4, 611;

j) Y. T. Lee, J. H. Kang, K. Kwak, J. Ahn, H. T. Choi, B. K. Ju, S. H. Shokouh, S. Im, M. C. Park, D. K. Hwang, ACS Photonics 2018, 5, 4745;

k) E. Zhang, Y. B. Jin, X. Yuan, W. Y. Wang, C. Zhang, L. Tang, S. S. Liu, P. Zhou, W. D. Hu, F. X. Xiu, Adv. Funct. Mater. 2015, 25, 4076;

l) M. Hafeez, L. Gan, H. Q. Li, Y. Ma, T. Y. Zhai, Adv. Mater. 2016, 28, 8296;

m) B. Lei, Z. H. Hu, D. Xiang, J. Y. Wang, G. Eda, C. Han, W. Chen, Nano Res. 2017, 10, 1282.

H. S. Lee, S. S. Baik, K. Lee, S.-W. Min, P. J. Jeon, J. S. Kim, K. Choi, H. J. Choi, J. H. Kim, S. Im, ACS Nano 2015, 9, 8312.

a) X. Wan, X. Miao, J. Yao, S. Wang, F. Shao, S. Xiao, R. Zhan, K. Chen, X. Zeng, X. Gu, J. Xu, Adv. Mater. 2021, 33, 2100260;

b) D. J. Finn, M. Lotya, G. Cunningham, R. J. Smith, D. McCloskey, J. F. Donegan, J. N. Coleman, J. Mater. Chem. C 2014, 2, 925;

c) F. Torrisi, T. Hasan, W. Wu, Z. Sun, A. Lombardo, T. S. Kulmala, G.-W. Hsieh, S. Jung, F. Bonaccorso, P. J. Paul, D. Chu, A. C. Ferrari, ACS Nano 2012, 6, 2992.

S. Lei, X. Wang, B. Li, J. Kang, Y. He, A. George, L. Ge, Y. Gong, P. Dong, Z. Jin, G. Brunetto, W. Chen, Z.-T. Lin, R. Baines, D. S. Galvão, J. Lou, E. Barrera, K. Banerjee, R. Vajtai, P. Ajayan, Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 465.

S. Fiechter, K. Eckert, J. Cryst. Growth 1988, 88, 435.

Y. Hernandez, V. Nicolosi, M. Lotya, F. M. Blighe, Z. Sun, S. De, I. T. McGovern, B. Holland, M. Byrne, Y. K. Gun'Ko, J. J. Boland, P. Niraj, G. Duesberg, S. Krishnamurthy, R. Goodhue, J. Hutchison, V. Scardaci, A. C. Ferrari, J. N. Coleman, Nat. Nanotechnol. 2008, 3, 563.

H. B. Park, M. Cho, J. Park, S. W. Lee, C. S. Hwang, J.-P. Kim, J.-H. Lee, N.-I. Lee, H.-K. Kang, J.-C. Lee, S.-J. Oh, J. Appl. Phys. 2003, 94, 3641.

Using Electrical Impedance Spectroscopy to Separately Quantify the Effect of Strain on Nanosheet and Junction Resistance in Printed Nanosheet Networks

Production of Ultrathin and High-Quality Nanosheet Networks via Layer-by-Layer Assembly at Liquid-Liquid Interfaces

A library of 2D electronic material inks synthesized by liquid-metal-assisted intercalation of crystal powders

Understanding how junction resistances impact the conduction mechanism in nano-networks

Electrochemical molecular intercalation and exfoliation of solution-processable two-dimensional crystals