Skip to main content
Log in

Vertical heterostructures based on graphene and other 2D materials

  • Semiconductor Structures, Low-Dimensional Systems, and Quantum Phenomena
  • Published:
Semiconductors Aims and scope Submit manuscript

Abstract

Recent advances in the fabrication of vertical heterostructures based on graphene and other dielectric and semiconductor single-layer materials, including hexagonal boron nitride and transition-metal dichalcogenides, are reviewed. Significant progress in this field is discussed together with the great prospects for the development of vertical heterostructures for various applications, which are associated, first of all, with reconsideration of the physical principles of the design and operation of device structures based on graphene combined with other 2D materials.

This is a preview of subscription content, log in via an institution to check access.

Access this article

Price excludes VAT (USA)
Tax calculation will be finalised during checkout.

Instant access to the full article PDF.

Similar content being viewed by others

References

  1. K. S. Novoselov, V. I. Fal’ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, and K. Kim, Nature 490, 192 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  2. K. S. Novoselov, Rev. Mod. Phys. 83, 837 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  3. A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013).

    Article  Google Scholar 

  4. H. Wang, T. Taychatanapat, A. Hsu, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Jarillo-Herrero, and T. Palacios, IEEE Electron. Dev. Lett. 32, 1209 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  5. 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, and L. A. Ponomarenko, Science 335, 947 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  6. L. Britnell, R. V. Gorbachev, R. Jalil, B. D. Belle, F. Schedin, M. I. Katsnelson, L. Eaves, S. V. Morozov, A. S. Mayorov, N. M. R. Peres, A. H. Castro Neto, J. Leist, A. K. Geim, L. A. Ponomarenko, and K. S. Novoselov, Nano Lett. 12, 1707 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  7. S. J. Haigh, A. Gholinia, R. Jalil, S. Romani, L. Britnell, D. C. Elias, K. S. Novoselov, L. A. Ponomarenko, A. K. Geim, and R. Gorbachev, Nature Mater. 11, 764 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  8. J. Kang, S. Tongay, J. Zhou, J. Li, and J. Wu, Appl. Phys. Lett. 102, 012111 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  9. M. S. Choi, G.-H. Lee, Y.-J. Yu, D.-Y. Lee, S. H. Lee, P. Kim, J. Hone, and W. J. Yoo, Nature Commun. 4, 1624 (2013).

    Article  Google Scholar 

  10. L. Britnell, R. M. Ribeiro, A. Eckmann, R. Jalil, B. D. Belle, A. Mishchenko, Y.-J. Kim, R. V. Gorbachev, T. Georgiou, S. V. Morozov, A. N. Grigorenko, A. K. Geim, C. Casiraghi, A. H. Castro Neto, and K. S. Novoselov, Science 340, 1311 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  11. I. V. Antonova, I. A. Kotin, R. A. Soots, and V. Ya. Prinz, Nanotechnology 23, 315601 (2012).

    Article  Google Scholar 

  12. I. V. Antonova, S. V. Mutilin, V. A. Seleznev, R. A. Soots, V. A. Volodin, and V. Ya. Prinz, Nanotechnology 22, 285502 (2011).

    Article  Google Scholar 

  13. N. A. Nebogatikova, I. V. Antonova, V. A. Volodin, and V. Y. Prinz, Physica E 52, 106 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  14. I. A. Kotin, I. V. Antonova, A. I. Komonov, V. A. Seleznev, R. A. Soots, and V. Ya. Prinz, J Phys. D: Appl. Phys. 46, 285303 (2013).

    Article  Google Scholar 

  15. R. Decker, Y. Wang, V. W. Brar, W. Regan, H.-Z. Tsai, Q. Wu, W. Gannett, A. Zettl, and M. F. Crommie, Nano Lett. 11, 2291 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

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

    Article  ADS  Google Scholar 

  17. G.-H. Lee, Y.-J. Yu, C. Lee, C. Dean, K. L. Shepard, P. Kim, and J. Hone, Appl. Phys. Lett. 99, 243114 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  18. M. Hirose, Mater. Sci. Eng. B 41, 35 (1996).

    Article  Google Scholar 

  19. S. N. Mohammad, F. J. Kub, and C. R. Eddy, J. Vac. Sci. Technol. B 29, 021021 (2011).

    Article  Google Scholar 

  20. K. Watanabe, T. Taniguchi, and H. Kanda, Nature Mater. 3, 404 (2004).

    Article  ADS  Google Scholar 

  21. G. Giovannetti, P. A. Khomyakov, G. Brocks, P. J. Kelly, and J. van den Brink, Phys. Rev. B 76, 073103 (2007).

    Article  ADS  Google Scholar 

  22. D. K. Ferry, IEEE Nanotech. 12, 1932 (2012).

    Google Scholar 

  23. W. Gannett, W. Regan, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. F. Crommie, and A. Zettl, Appl. Phys. Lett. 98, 242105 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  24. A. S. Mayorov, R. V. Gorbachev, S. V. Morozov, L. Britnell, R. Jalil, L. A. Ponomarenko, P. Blake, K. S. Novoselov, K. Watanabe, T. Taniguchi, and A. K. Geim, Nano Lett. 11, 2396 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  25. N. Petrone, C. Dean, I. Meric, A. M. van der Zande, P. Y. Huang, L. Wang, D. Muller, K. L. Shepard, and J. Hone, Nano Lett. 12, 275 (2012).

    Article  Google Scholar 

  26. Yi. Zhang, L. Zhang, P. Kim, M. Ge, Z. Li, and C. Zhou, Nano Lett. 12, 2810 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  27. E. Kim, T. Yu, E. S. Song, and B. Yu, Appl. Phys. Lett. 98, 262103 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  28. K. H. Lee, H. J. Shin, J. Lee, I. Y. Lee, G. H. Kim, J. Y. Choi, and S. W. Kim, Nano Lett. 12, 714 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  29. M. Wang, S. K. Jang, W.-J. Jang, M. Kim, S.-Y. Park, S.-W. Kim, S.-J. Kahng, J.-Y. Choi, R. S. Ruoff, Y. J. Song, and S. Lee, Adv. Mater. 25, 2746 (2013).

    Article  Google Scholar 

  30. L. Britnell, R. V. Gorbachev, A. K. Geim, L. A. Ponomarenko, A. Mishchenko, M. T. Greenaway, T. M. Fromhold, K. S. Novoselov, and L. Eaves, Nature Commun. 4, 1794 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  31. P. Zhao, R. M. Feenstra, G. Gu, and D. Jena, IEEE Trans. Electron Dev. 60, 951 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  32. R. M. Feenstra, D. Jena, and G. Gu, J. Appl. Phys. 111, 043711 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  33. M. P. Levendorf, C.-J. Kim, L. Brown, P. Y. Huang, R. W. Havener, D. A. Muller, and J. Park, Nature 488, 627 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  34. Z. Liu, L. Ma, G. Shi, W. Zhou, Y. Gong, S. Lei, X. Yang, J. Zhang, J. Yu, K. P. Hackenberg, A. Babakhani, J.-C. Idrobo, R. Vajtai, J. Lou, and P. M. Ajayan, Nature Nanotechnol. 8, 119 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  35. B. Hunt, J. D. Sanchez-Yamagishi, A. F. Young, M. Yankowitz, and B. J. Le Roy, Science 340, 1427 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  36. K. I. Bolotin, K. J. Sikes, Z. Jiang, M. Klima, G. Fudenberg, J. Hone, P. Kim, and H. L. Stormer, Solid State Commun. 146, 351 (2008).

    Article  ADS  Google Scholar 

  37. X. Du, A, Barker, I. Skachko, and E. Y. Andrei, Nature Nanotechnol. 3, 491 (2008).

    Article  ADS  Google Scholar 

  38. J.-H. Chen, C. Jang, S. Xiao, M. Ishigami, and M. S. Fuhre, Nature Nanotechnol. 3, 206 (2008).

    Article  Google Scholar 

  39. E. H. Hwang, S. Adam, and S. Das Sarma, Phys. Rev. Lett. 98, 186806 (2007).

    Article  ADS  Google Scholar 

  40. L. Wang, Z. Chen, C. R. Dean, T. Taniguchi, K. Watanabe, L. Brus, and J. Hone, ACS Nano 6, 9314 (2012).

    Article  Google Scholar 

  41. S. Fratini and F. Guinea, Phys. Rev. B 77, 195415 (2008).

    Article  ADS  Google Scholar 

  42. A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nature Mater. 6, 183 (2007).

    Article  ADS  Google Scholar 

  43. S. V. Morozov, K. S. Novoselov, M. I. Katsnelson, F. Schedin, D. C. Elias, J. A. Jaszczak, and A. K. Geim, Phys. Rev. Lett. 100, 016602 (2008).

    Article  ADS  Google Scholar 

  44. V. Singh, D. Joung, L. Zhai, S. Das, S. I. Khondaker, and S. Seal, Progr. Mater. Sci. 56, 1178 (2011).

    Article  Google Scholar 

  45. S. Chen, H. Ji, H. Chou, Q. Li, H. Li, J. W. Suk, R. Piner, L. Liao, W. Cai, and R. S. Ruoff, Adv. Mater. 25, 2062 (2013).

    Article  Google Scholar 

  46. D. R. Cooper, B. D’Anjou, and N. Ghattamaneni, Condens. Matter Phys. 2, 56 (2012).

    Google Scholar 

  47. H. Zhou, W. J. Yu, L. Liu, R. Cheng, Y. Chen, X. Huang, Y. Liu, Y. Wang, Y. Huang, and X. Duan, Nature Commun. 4, 2096 (2013).

    ADS  Google Scholar 

  48. I. V. Antonova, I. A. Kotin, R. A. Soots, and V. Ya. Prinz, Fullerenes, Nanotubes, Carbon Nanostruct. 20, 543 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  49. I. A. Kotin, I. V. Antonova, R. A. Soots, V. A. Volodin, and V. Ya. Prints, Nanotechnol. Russ. 8, 621 (2013).

    Article  Google Scholar 

  50. A. I. Podlivaev and L. A. Openov, Semiconductors 45, 958 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  51. K. F. Mak, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 105, 136805 (2010).

    Article  ADS  Google Scholar 

  52. R. Gordon, D. Yang, E. Crozier, D. Jiang, and R. Frind, Phys. Rev. B 65, 125407 (2002).

    Article  ADS  Google Scholar 

  53. W. Zhao, Z. Ghorannevis, L. Chu, M. Toh, C. Kloc, P.-H. Tan, and G. Eda, ACS Nano 7, 791 (2013).

    Article  Google Scholar 

  54. P. Tonndorf, R. Schmidt, P. Böttger, X. Zhang, J. Börner, A. Liebig, M. Albrecht, C. Kloc, O. Gordan, D. R. T. Zahn, S. M. de Vasconcellos, and R. Bratschitsch, Opt. Express 21, 4908 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  55. J. Kang, S. Tongay, J. Zhou, J. Li, and J. Wu, Appl. Phys. Lett. 102, 012111 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  56. B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, and A. Kis, Nature Nanotechnol. 6, 147 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  57. Y. Yoon, K. Ganapathi, and S. Salahuddin, Nano Lett. 11, 3768 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  58. D. J. Late, B. Liu, H. S. S. R. Matte, V. P. Dravid, and C. N. R. Rao, ACS Nano 6, 5635 (2012).

    Article  Google Scholar 

  59. W. Bao, X. Cai, D. Kim, K. Sridhara, and M. S. Fuhre, Appl. Phys. Lett. 102, 042104 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  60. B. Radisavljevic, M. B. Whitwick, and A. Kis, ACS Nano 5, 9934 (2011).

    Article  Google Scholar 

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

    Article  Google Scholar 

  62. O. Lopez-Sanchez, D. Lembke, M. Kayci, A. Radenovic, and A. Kis, Nature Nanotechnol. 8, 497 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  63. M. S. Choi, G. H. Lee, Y. J. Yu, D. Y. Lee, S. H. Lee, P. Kim, J. Hone, and W. J. Yoo, Nature Commun. 4, 1624 (2013).

    Article  Google Scholar 

  64. Y. C. Kong, L. Q. Hu, Y. D. Zheng, C. H. Zhou, C. Chen, S. L. Gu, R. Zhang, P. Han, R. L. Jiang, and Y. Shi, Appl. Phys. A 90, 545 (2008).

    Article  ADS  Google Scholar 

  65. G.-H. Lee, Y.-J. Yu, X. Cui, N. Petrone, C.-H. Lee, M. S. Choi, D.-Y. Lee, C. Lee, W. J. Yoo, K. Watanabe, T. Taniguchi, C. Nuckolls, P. Kim, and J. Hone, ACS Nano 5, 9934 (2011).

    Article  Google Scholar 

  66. Z. Remes, M. Nesladek, K. Haenen, K. Watanabe, and T. Taniguchi, Phys. Status Solidi A 202, 2229 (2005).

    Article  ADS  Google Scholar 

  67. J. Pu, Y. J. Zhang, Y. Wada, J. T. W. Wang, L. J. Li, Y. Iwasa, and T. Takenobu, Nano Lett. 12, 4013 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  68. J. Yoon, W. Park, G.-Y. Bae, Y. Kim, H. S. Jang, Y. Hyun, S. K. Lim, Y. H. Kahng, W.-K. Hong, B. H. Lee, and H. C. Ko, Small 9, 3295 (2013).

    Google Scholar 

  69. J. M. Hamm and O. Hess, Science 340, 1298 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  70. G. Konstantatos, M. Badioli, L. Gaudreau, J. Osmond, M. Bernechea, F. P. Garcia de Arquer, F. Gatti, and F. H. L. Koppens, Nature Nanotechnol. 7, 363 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  71. T. Georgiou, R. Jalil, B. D. Belle, L. Britnell, R. V. Gorbachev, S. V. Morozov, Y.-J. Kim, A. Gholinia, S. J. Haigh, O. Makarovsky, L. Eaves, L. A. Ponomarenko, A. K. Geim, K. S. Novoselov, and A. Mishchenko, Nature Nanotechnol. 8, 100 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  72. A. Kuc, N. Zibouche, and T. Heine, Phys. Rev. B 83, 245213 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  73. T. Roy, M. Tosun, J. S. Kang, A. B. Sachid, S. B. Desai, M. Hettick, C. C. Hu, and A. Javey, ACS Nano 8, 6259 (2014).

    Article  Google Scholar 

  74. H. Yang, J. Heo, S. Park, H. J. Song, D. H. Seo, K.-E. Byun, P. Kim, I. Yoo, H.-J. Chung, and K. Kim, Science 336, 1140 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  75. D. B. Farmer, A. Valdes-Garcia, C. Dimitrakopoulos, and P. Avouris, Appl. Phys. Lett. 101, 143503 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  76. Y.-M. Lin, C. Dimitrakopoulos, K. A. Jenkins, D. B. Farmer, H.-Y. Chiu, A. Grill, and Ph. Avouris, Science 327, 662 (2010).

    Article  ADS  Google Scholar 

  77. C.-C. Lu, Y.-C. Lin, C.-H. Yeh, J.-C. Huang, and P.-W. Chiu, ACS Nano 6, 4469 (2012).

    Article  Google Scholar 

  78. F. Schwierz, Nature Nanotechnol. 5, 487 (2010).

    Article  ADS  Google Scholar 

  79. G. Fiori and G. Iannaccone, Proc. IEEE 101, 1653 (2013).

    Article  Google Scholar 

  80. G. Fiori, D. Neumaier, B. N. Szafranek, and G. Iannaccone, IEEE Trans. Electron Dev. 61, 729 (2014).

    Article  ADS  Google Scholar 

  81. G. Fiori, S. Bruzzone, and G. Iannaccone, IEEE Trans. Electron Dev. 60, 268 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  82. G. Fiori, A. Betti, S. Bruzzone, and G. Iannaccone, ACS Nano 6, 2642 (2012).

    Article  Google Scholar 

  83. A. Paussa, G. Fiori, P. Palestri, M. Geromel, D. Esseni, G. Iannaccone, and L. Selmi, IEEE Trans. Electron Dev. 61, 1567 (2014).

    Article  ADS  Google Scholar 

  84. S. Vaziri, G. Lupina, C. Henke, A. D. Smith, M. Ostling, J. Dabrowski, G. Lippert, W. Mehr, and M. C. Lemme, Nano Lett. 13, 1435 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  85. T. Yajima, Y. Hikita, and H. Y. Hwang, Nature Mater. 10, 198 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  86. W. Mehr, J. Dabrowski, J. C. Scheytt, G. Lippert, Y.-H. Xie, M. C. Lemme, M. Ostling, and G. Lupina, IEEE Electron Dev. Lett. 33, 691 (2012).

    Article  ADS  Google Scholar 

  87. C. Zeng, E. B. Song, M. Wang, S. Lee, C. M. Torres, J. Tang, B. H. Weiller, and K. L. Wang, Nano Lett. 13, 2370 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  88. J. A. Robinson, M. La Bella, M. Zhu, M. Hollander, R. Kasurda, Z. Hughes, K. Trumbull, R. Cavalero, and D. Snyder, Appl. Phys. Lett. 98, 053103 (2011).

    Article  ADS  Google Scholar 

  89. 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, and C. R. Dean, Science 342, 614 (2013).

    Article  ADS  Google Scholar 

  90. J. W. Suk, A. Kitt, C. W. Magnuson, Y. Hao, S. Ahmed, J. An. A. K. Swan, B. B. Goldberg, and R. S. Ruoff, ACS Nano 5, 6916 (2011).

    Article  Google Scholar 

  91. Y. Lee, S. Bae, H. Jang, S. Jang, S.-E. Zhu, S. H. Sim, Y. I. Song, B. H. Hong, and J.-H. Ahn, Nano Lett. 10, 490 (2010).

    Article  ADS  Google Scholar 

  92. M. Ishigami, Shaul Aloni, and A. Zettl, Nano Lett. 7, 1643 (2007).

    Article  ADS  Google Scholar 

  93. Y. C. Lin, C. H. Jin, J. C. Lee, S. F. Jen, and P. W. Chiu, ACS Nano 5, 2362 (2011).

    Article  Google Scholar 

  94. I. V. Antonova, S. V. Golod, R. A. Soots, A. I. Komonov, V. A. Seleznev, M. A. Sergeev, V. A. Volodin, and V. Ya. Prints, Semiconductors 48, 804 (2014.

    Article  ADS  Google Scholar 

Download references

Author information

Authors and Affiliations

Authors

Additional information

Original Russian Text © I.V. Antonova, 2016, published in Fizika i Tekhnika Poluprovodnikov, 2016, Vol. 50, No. 1, pp. 67–82.

Rights and permissions

Reprints and permissions

About this article

Check for updates. Verify currency and authenticity via CrossMark

Cite this article

Antonova, I.V. Vertical heterostructures based on graphene and other 2D materials. Semiconductors 50, 66–82 (2016). https://doi.org/10.1134/S106378261601005X

Download citation

  • Received:

  • Accepted:

  • Published:

  • Issue Date:

  • DOI: https://doi.org/10.1134/S106378261601005X

Navigation