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.
Similar content being viewed by others
References
K. S. Novoselov, V. I. Fal’ko, L. Colombo, P. R. Gellert, M. G. Schwab, and K. Kim, Nature 490, 192 (2012).
K. S. Novoselov, Rev. Mod. Phys. 83, 837 (2011).
A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013).
H. Wang, T. Taychatanapat, A. Hsu, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Jarillo-Herrero, and T. Palacios, IEEE Electron. Dev. Lett. 32, 1209 (2011).
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).
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).
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).
J. Kang, S. Tongay, J. Zhou, J. Li, and J. Wu, Appl. Phys. Lett. 102, 012111 (2013).
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).
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).
I. V. Antonova, I. A. Kotin, R. A. Soots, and V. Ya. Prinz, Nanotechnology 23, 315601 (2012).
I. V. Antonova, S. V. Mutilin, V. A. Seleznev, R. A. Soots, V. A. Volodin, and V. Ya. Prinz, Nanotechnology 22, 285502 (2011).
N. A. Nebogatikova, I. V. Antonova, V. A. Volodin, and V. Y. Prinz, Physica E 52, 106 (2013).
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).
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).
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).
G.-H. Lee, Y.-J. Yu, C. Lee, C. Dean, K. L. Shepard, P. Kim, and J. Hone, Appl. Phys. Lett. 99, 243114 (2011).
M. Hirose, Mater. Sci. Eng. B 41, 35 (1996).
S. N. Mohammad, F. J. Kub, and C. R. Eddy, J. Vac. Sci. Technol. B 29, 021021 (2011).
K. Watanabe, T. Taniguchi, and H. Kanda, Nature Mater. 3, 404 (2004).
G. Giovannetti, P. A. Khomyakov, G. Brocks, P. J. Kelly, and J. van den Brink, Phys. Rev. B 76, 073103 (2007).
D. K. Ferry, IEEE Nanotech. 12, 1932 (2012).
W. Gannett, W. Regan, K. Watanabe, T. Taniguchi, M. F. Crommie, and A. Zettl, Appl. Phys. Lett. 98, 242105 (2011).
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).
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).
Yi. Zhang, L. Zhang, P. Kim, M. Ge, Z. Li, and C. Zhou, Nano Lett. 12, 2810 (2012).
E. Kim, T. Yu, E. S. Song, and B. Yu, Appl. Phys. Lett. 98, 262103 (2011).
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).
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).
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).
P. Zhao, R. M. Feenstra, G. Gu, and D. Jena, IEEE Trans. Electron Dev. 60, 951 (2013).
R. M. Feenstra, D. Jena, and G. Gu, J. Appl. Phys. 111, 043711 (2012).
M. P. Levendorf, C.-J. Kim, L. Brown, P. Y. Huang, R. W. Havener, D. A. Muller, and J. Park, Nature 488, 627 (2012).
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).
B. Hunt, J. D. Sanchez-Yamagishi, A. F. Young, M. Yankowitz, and B. J. Le Roy, Science 340, 1427 (2013).
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).
X. Du, A, Barker, I. Skachko, and E. Y. Andrei, Nature Nanotechnol. 3, 491 (2008).
J.-H. Chen, C. Jang, S. Xiao, M. Ishigami, and M. S. Fuhre, Nature Nanotechnol. 3, 206 (2008).
E. H. Hwang, S. Adam, and S. Das Sarma, Phys. Rev. Lett. 98, 186806 (2007).
L. Wang, Z. Chen, C. R. Dean, T. Taniguchi, K. Watanabe, L. Brus, and J. Hone, ACS Nano 6, 9314 (2012).
S. Fratini and F. Guinea, Phys. Rev. B 77, 195415 (2008).
A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nature Mater. 6, 183 (2007).
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).
V. Singh, D. Joung, L. Zhai, S. Das, S. I. Khondaker, and S. Seal, Progr. Mater. Sci. 56, 1178 (2011).
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).
D. R. Cooper, B. D’Anjou, and N. Ghattamaneni, Condens. Matter Phys. 2, 56 (2012).
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).
I. V. Antonova, I. A. Kotin, R. A. Soots, and V. Ya. Prinz, Fullerenes, Nanotubes, Carbon Nanostruct. 20, 543 (2012).
I. A. Kotin, I. V. Antonova, R. A. Soots, V. A. Volodin, and V. Ya. Prints, Nanotechnol. Russ. 8, 621 (2013).
A. I. Podlivaev and L. A. Openov, Semiconductors 45, 958 (2011).
K. F. Mak, M. Y. Sfeir, Y. Wu, C. H. Lui, J. A. Misewich, and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 105, 136805 (2010).
R. Gordon, D. Yang, E. Crozier, D. Jiang, and R. Frind, Phys. Rev. B 65, 125407 (2002).
W. Zhao, Z. Ghorannevis, L. Chu, M. Toh, C. Kloc, P.-H. Tan, and G. Eda, ACS Nano 7, 791 (2013).
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).
J. Kang, S. Tongay, J. Zhou, J. Li, and J. Wu, Appl. Phys. Lett. 102, 012111 (2013).
B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti, and A. Kis, Nature Nanotechnol. 6, 147 (2011).
Y. Yoon, K. Ganapathi, and S. Salahuddin, Nano Lett. 11, 3768 (2011).
D. J. Late, B. Liu, H. S. S. R. Matte, V. P. Dravid, and C. N. R. Rao, ACS Nano 6, 5635 (2012).
W. Bao, X. Cai, D. Kim, K. Sridhara, and M. S. Fuhre, Appl. Phys. Lett. 102, 042104 (2013).
B. Radisavljevic, M. B. Whitwick, and A. Kis, ACS Nano 5, 9934 (2011).
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).
O. Lopez-Sanchez, D. Lembke, M. Kayci, A. Radenovic, and A. Kis, Nature Nanotechnol. 8, 497 (2013).
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).
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).
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).
Z. Remes, M. Nesladek, K. Haenen, K. Watanabe, and T. Taniguchi, Phys. Status Solidi A 202, 2229 (2005).
J. Pu, Y. J. Zhang, Y. Wada, J. T. W. Wang, L. J. Li, Y. Iwasa, and T. Takenobu, Nano Lett. 12, 4013 (2012).
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).
J. M. Hamm and O. Hess, Science 340, 1298 (2013).
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).
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).
A. Kuc, N. Zibouche, and T. Heine, Phys. Rev. B 83, 245213 (2011).
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).
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).
D. B. Farmer, A. Valdes-Garcia, C. Dimitrakopoulos, and P. Avouris, Appl. Phys. Lett. 101, 143503 (2012).
Y.-M. Lin, C. Dimitrakopoulos, K. A. Jenkins, D. B. Farmer, H.-Y. Chiu, A. Grill, and Ph. Avouris, Science 327, 662 (2010).
C.-C. Lu, Y.-C. Lin, C.-H. Yeh, J.-C. Huang, and P.-W. Chiu, ACS Nano 6, 4469 (2012).
F. Schwierz, Nature Nanotechnol. 5, 487 (2010).
G. Fiori and G. Iannaccone, Proc. IEEE 101, 1653 (2013).
G. Fiori, D. Neumaier, B. N. Szafranek, and G. Iannaccone, IEEE Trans. Electron Dev. 61, 729 (2014).
G. Fiori, S. Bruzzone, and G. Iannaccone, IEEE Trans. Electron Dev. 60, 268 (2013).
G. Fiori, A. Betti, S. Bruzzone, and G. Iannaccone, ACS Nano 6, 2642 (2012).
A. Paussa, G. Fiori, P. Palestri, M. Geromel, D. Esseni, G. Iannaccone, and L. Selmi, IEEE Trans. Electron Dev. 61, 1567 (2014).
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).
T. Yajima, Y. Hikita, and H. Y. Hwang, Nature Mater. 10, 198 (2011).
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).
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).
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).
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).
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).
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).
M. Ishigami, Shaul Aloni, and A. Zettl, Nano Lett. 7, 1643 (2007).
Y. C. Lin, C. H. Jin, J. C. Lee, S. F. Jen, and P. W. Chiu, ACS Nano 5, 2362 (2011).
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.
Author information
Authors and Affiliations
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
About this article
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
Received:
Accepted:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.1134/S106378261601005X