Abstract
Neuromorphic intelligent hardware technologies have undergone rapid advancement during the past decade, with the goal of building intelligent devices and systems capable of overcoming challenges associated with conventional hardware. Realization of neuromorphic intelligent hardware depends on major advances in materials science, condensed matter physics, device physics and engineering. As a revolutionary discovery, two-dimensional (2D) materials with atomically-thin thickness and exceptionally high tunability introduce a new physical paradigm and show great promise in the development of intelligent devices. Here, we give prominence to three categories of tunable properties (i.e., charge carrier, band structure, lattice structure) that are inherent for 2D materials and review their superiorities in constructing intelligent devices particularly in electronics and optoelectronics. Furthermore, we provide insight into how the unique physical mechanisms emerging in 2D materials offer a fertile ground for the design of diverse intelligence devices.
Similar content being viewed by others
References
L. Du, Z. C. Wang, and G. Z. Zhao, Front. Phys. 17, 23602 (2022).
D. H. Kim, Z. Liu, Y. S. Kim, J. Wu, J. Song, H. S. Kim, Y. Huang, K. Hwang, Y. Zhang, and J. A. Rogers, Small 5, 2841 (2009).
F. Faggin, Nat. Electron. 1, 88 (2018).
P. Dong, Y. K. Chen, G. H. Duan, and D. T. Neilson, Nanophotonics 3, 215 (2014).
D. H. Kim, J. H. Ahn, W. M. Choi, H. S. Kim, T. H. Kim, J. Song, Y. Y. Huang, Z. Liu, C. Lu, and J. A. Rogers, Science 320, 507 (2008).
W. Bogaerts, D. Taillaert, B. Luyssaert, P. Dumon, J. van Campenhout, P. Bienstman, D. van Thourhout, R. Baets, V. Wiaux, and S. Beckx, Opt. Express 12, 1583 (2004).
S. Wang, X. Liu, and P. Zhou, Adv. Mater. 34, 2270332 (2022).
Q. Ma, G. Ren, K. Xu, and J. Z. Ou, Adv. Opt. Mater. 9, 2001313 (2021).
C. Liu, H. Chen, S. Wang, Q. Liu, Y. G. Jiang, D. W. Zhang, M. Liu, and P. Zhou, Nat. Nanotech. 15, 545 (2020).
M. C. Lemme, D. Akinwande, C. Huyghebaert, and C. Stampfer, Nat. Commun. 13, 1392 (2022).
Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, and M. S. Strano, Nat. Nanotech. 7, 699 (2012).
V. K. Sangwan, and M. C. Hersam, Nat. Nanotech. 15, 517 (2020).
M. Gibertini, M. Koperski, A. F. Morpurgo, and K. S. Novoselov, Nat. Nanotech. 14, 408 (2019).
Y. S. Shin, K. Lee, Y. R. Kim, H. Lee, I. M. Lee, W. T. Kang, B. H. Lee, K. Kim, J. Heo, S. Park, Y. H. Lee, and W. J. Yu, Adv. Mater. 30, 1704435 (2018).
L. Sun, Y. Zhang, G. Han, G. Hwang, J. Jiang, B. Joo, K. Watanabe, T. Taniguchi, Y. M. Kim, W. J. Yu, B. S. Kong, R. Zhao, and H. Yang, Nat. Commun. 10, 3161 (2019).
A. K. Geim, and I. V. Grigorieva, Nature 499, 419 (2013).
Y. Liu, N. O. Weiss, X. Duan, H. C. Cheng, Y. Huang, and X. Duan, Nat. Rev. Mater. 1, 16042 (2016).
S. Bertolazzi, D. Krasnozhon, and A. Kis, ACS Nano 7, 3246 (2013).
S. K. Behura, C. Wang, Y. Wen, and V. Berry, Nat. Photon. 13, 312 (2019).
L. Yu, Y. H. Lee, X. Ling, E. J. G. Santos, Y. C. Shin, Y. Lin, M. Dubey, E. Kaxiras, J. Kong, H. Wang, and T. Palacios, Nano Lett. 14, 3055 (2014).
A. Chaves, J. G. Azadani, H. Alsalman, D. R. da Costa, R. Frisenda, A. J. Chaves, S. H. Song, Y. D. Kim, D. He, J. Zhou, A. Castellanos-Gomez, F. M. Peeters, Z. Liu, C. L. Hinkle, S. H. Oh, P. D. Ye, S. J. Koester, Y. H. Lee, P. Avouris, X. Wang, and T. Low, npj 2D Mater. Appl. 4, 29 (2020).
L. Pi, P. Wang, S. J. Liang, P. Luo, H. Wang, D. Li, Z. Li, P. Chen, X. Zhou, F. Miao, and T. Zhai, Nat. Electron. 5, 248 (2022).
C. Ma, S. Yuan, P. Cheung, K. Watanabe, T. Taniguchi, F. Zhang, and F. Xia, Nature 604, 266 (2022).
Z. Dai, L. Liu, and Z. Zhang, Adv. Mater. 31, 1805417 (2019).
G. Lee, S. J. Pearton, F. Ren, and J. Kim, Adv. Electron. Mater. 5, 1800745 (2019).
H. Hu, W. Y. Tong, Y. H. Shen, and C. G. Duan, J. Mater. Chem. C 8, 8098 (2020).
C. Gong, E. M. Kim, Y. Wang, G. Lee, and X. Zhang, Nat. Commun. 10, 2657 (2019).
K. S. Burch, D. Mandrus, and J. G. Park, Nature 563, 47 (2018).
H. Yang, S. O. Valenzuela, M. Chshiev, S. Couet, B. Dieny, B. Dlubak, A. Fert, K. Garello, M. Jamet, D. E. Jeong, K. Lee, T. Lee, M. B. Martin, G. S. Kar, P. Sénéor, H. J. Shin, and S. Roche, Nature 606, 663 (2022).
C. Gong, and X. Zhang, Science 363, eaav4450 (2019).
C. N. Lau, F. Xia, L. Cao, C. N. Lau, F. Xia, and L. Cao, MRS Bull. 45, 340 (2020).
A. Ciarrocchi, F. Tagarelli, A. Avsar, and A. Kis, Nat. Rev. Mater. 7, 449 (2022).
Z. Liu, L. Deng, and B. Peng, Nano Res. 14, 1802 (2020).
G. Iannaccone, F. Bonaccorso, L. Colombo, and G. Fiori, Nat. Nanotech. 13, 183 (2018).
A. Klein, Thin Solid Films 520, 3721 (2012).
S. Wang, X. Pan, L. Lyu, C. Y. Wang, P. Wang, C. Pan, Y. Yang, C. Wang, J. Shi, B. Cheng, W. Yu, S. J. Liang, and F. Miao, ACS Nano 16, 4528 (2022).
C. Y. Wang, S. J. Liang, P. Wang, Z. A. Li, Z. Wang, A. Gao, C. Pan, C. Liu, J. Liu, H. Yang, X. Liu, W. Song, C. Wang, B. Cheng, X. Wang, K. Chen, Z. Wang, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. J. Yang, and F. Miao, Sci. Adv. 6, eaba6173 (2020).
A. Pospischil, M. M. Furchi, and T. Mueller, Nat. Nanotech. 9, 257 (2014).
S. Das, D. Pandey, J. Thomas, and T. Roy, Adv. Mater. 31, 1802722 (2019).
B. W. H. Baugher, H. O. H. Churchill, Y. Yang, and P. Jarillo-Herrero, Nat. Nanotech. 9, 262 (2014).
R. Frisenda, A. J. Molina-Mendoza, T. Mueller, A. Castellanos-Gomez, and H. S. J. van der Zant, Chem. Soc. Rev. 47, 3339 (2018).
J. S. Ross, P. Klement, A. M. Jones, N. J. Ghimire, J. Yan, D. G. Mandrus, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. Kitamura, W. Yao, D. H. Cobden, and X. Xu, Nat. Nanotech. 9, 268 (2014).
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, and K. S. Novoselov, Nat. Mater. 14, 301 (2015).
L. Mennel, J. Symonowicz, S. Wachter, D. K. Polyushkin, A. J. Molina-Mendoza, and T. Mueller, Nature 579, 62 (2020).
H. Lim, S. I. Yoon, G. Kim, A. R. Jang, and H. S. Shin, Chem. Mater. 26, 4891 (2014).
Z. Zhang, S. Wang, C. Liu, R. Xie, W. Hu, and P. Zhou, Nat. Nanotech. 17, 27 (2022).
S. Wang, C. Y. Wang, P. Wang, C. Wang, Z. A. Li, C. Pan, Y. Dai, A. Gao, C. Liu, J. Liu, H. Yang, X. Liu, B. Cheng, K. Chen, Z. Wang, K. Watanabe, T. Taniguchi, S. J. Liang, and F. Miao, Natl. Sci. Rev. 8, nwaa172 (2020).
H. Jang, C. Liu, H. Hinton, M. H. Lee, H. Kim, M. Seol, H. J. Shin, S. Park, and D. Ham, Adv. Mater. 32, e2002431 (2020).
F. Liao, Z. Zhou, B. J. Kim, J. Chen, J. Wang, T. Wan, Y. Zhou, A. T. Hoang, C. Wang, J. Kang, J. H. Ahn, and Y. Chai, Nat. Electron. 5, 84 (2022).
C. Pan, C. Y. Wang, S. J. Liang, Y. Wang, T. Cao, P. Wang, C. Wang, S. Wang, B. Cheng, A. Gao, E. Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi, and F. Miao, Nat. Electron. 3, 383 (2020).
L. Tong, Z. Peng, R. Lin, Z. Li, Y. Wang, X. Huang, K. H. Xue, H. Xu, F. Liu, H. Xia, P. Wang, M. Xu, W. Xiong, W. Hu, J. Xu, X. Zhang, L. Ye, and X. Miao, Science 373, 1353 (2021).
H. Kroemer, Rev. Mod. Phys. 73, 783 (2001).
Z. I. Alferov, Rev. Mod. Phys. 73, 767 (2001).
P. Törmä, S. Peotta, and A. Bernevig, Nat. Rev. Phys. 4, 528 (2022).
V. Fock, and D. Iwanenko, Nature 123, 838 (1929).
K. Kim, and D. J. Siegel, J. Mater. Chem. A 7, 3216 (2019).
J. Cao, S. X. Tao, P. A. Bobbert, C. P. Wong, and N. Zhao, Adv. Mater. 30, e1707350 (2018).
M. Wang, S. Cai, C. Pan, C. Wang, X. Lian, Y. Zhuo, K. Xu, T. Cao, X. Pan, B. Wang, S. J. Liang, J. J. Yang, P. Wang, and F. Miao, Nat. Electron. 1, 130 (2018).
V. K. Sangwan, D. Jariwala, I. S. Kim, K. S. Chen, T. J. Marks, L. J. Lauhon, and M. C. Hersam, Nat. Nanotech. 10, 403 (2015).
H. Yang, S. W. Kim, M. Chhowalla, and Y. H. Lee, Nat. Phys. 13, 931 (2017).
M. D. Hollingsworth, Science 295, 2410 (2002).
W. Ding, J. Zhu, Z. Wang, Y. Gao, D. Xiao, Y. Gu, Z. Zhang, and W. Zhu, Nat. Commun. 8, 14956 (2017).
F. Zhang, H. Zhang, S. Krylyuk, C. A. Milligan, Y. Zhu, D. Y. Zemlyanov, L. A. Bendersky, B. P. Burton, A. V. Davydov, and J. Appenzeller, Nat. Mater. 18, 55 (2019).
X. Zhu, D. Li, X. Liang, and W. D. Lu, Nat. Mater. 18, 141 (2019).
S. Wan, Y. Li, W. Li, X. Mao, C. Wang, C. Chen, J. Dong, A. Nie, J. Xiang, Z. Liu, W. Zhu, and H. Zeng, Adv. Funct. Mater. 29, 1808606 (2019).
S. Wang, L. Liu, L. Gan, H. Chen, X. Hou, Y. Ding, S. Ma, D. W. Zhang, and P. Zhou, Nat. Commun. 12, 53 (2021).
F. Xue, C. Zhang, Y. Ma, Y. Wen, X. He, B. Yu, and X. Zhang, Adv. Mater. 34, e2201880 (2022).
C. Ge, C. Wang, K. Jin, H. Lu, and G. Yang, Nano-Micro Lett. 5, 81 (2013).
M. Liu, T. Liao, Z. Sun, Y. Gu, and L. Kou, Phys. Chem. Chem. Phys. 23, 21376 (2021).
P. W. M. Blom, R. M. Wolf, J. F. M. Cillessen, and M. P. C. M. Krijn, Phys. Rev. Lett. 73, 2107 (1994).
X. Wang, P. Wang, J. Wang, W. Hu, X. Zhou, N. Guo, H. Huang, S. Sun, H. Shen, T. Lin, M. Tang, L. Liao, A. Jiang, J. Sun, X. Meng, X. Chen, W. Lu, and J. Chu, Adv. Mater. 27, 6575 (2015).
H. J. Jin, C. Park, K. J. Lee, G. H. Shin, and S. Choi, Adv Mater. Technol. 6, 2100494 (2021).
P. Hou, Y. Lv, X. Zhong, and J. Wang, ACS Appl. Nano Mater. 2, 4443 (2019).
V. K. Sangwan, H. S. Lee, H. Bergeron, I. Balla, M. E. Beck, K. S. Chen, and M. C. Hersam, Nature 554, 500 (2018).
R. Ge, X. Wu, M. Kim, J. Shi, S. Sonde, L. Tao, Y. Zhang, J. C. Lee, and D. Akinwande, Nano Lett. 18, 434 (2018).
R. Ge, X. Wu, L. Liang, S. M. Hus, Y. Gu, E. Okogbue, H. Chou, J. Shi, Y. Zhang, S. K. Banerjee, Y. Jung, J. C. Lee, and D. Akinwande, Adv. Mater. 33, e2007792 (2021).
Y. Li, M. Gong, and H. Zeng, J. Semicond. 40, 061002 (2019).
F. Xue, X. He, J. R. D. Retamal, A. Han, J. Zhang, Z. Liu, J. K. Huang, W. Hu, V. Tung, J. H. He, L. J. Li, and X. Zhang, Adv. Mater. 31, e1901300 (2019).
International Roadmap for Devices and Systems (IRDS™) 2021 Edition. IEEE, 2021.
A. Zimmers, L. Aigouy, M. Mortier, A. Sharoni, S. Wang, K. G. West, J. G. Ramirez, and I. K. Schuller, Phys. Rev. Lett. 110, 056601 (2013).
J. del Valle, P. Salev, F. Tesler, N. M. Vargas, Y. Kalcheim, P. Wang, J. Trastoy, M. H. Lee, G. Kassabian, J. G. Ramirez, M. J. Rozenberg, and I. K. Schuller, Nature 569, 388 (2019).
T. Li, S. Jiang, L. Li, Y. Zhang, K. Kang, J. Zhu, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. Chowdhury, L. Fu, J. Shan, and K. F. Mak, Nature 597, 350 (2021).
A. Ghiotto, E. M. Shih, G. S. S. G. Pereira, D. A. Rhodes, B. Kim, J. Zang, A. J. Millis, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. C. Hone, L. Wang, C. R. Dean, and A. N. Pasupathy, Nature 597, 345 (2021).
X. Zhang, Y. Zhuo, Q. Luo, Z. Wu, R. Midya, Z. Wang, W. Song, R. Wang, N. K. Upadhyay, Y. Fang, F. Kiani, M. Rao, Y. Yang, Q. Xia, Q. Liu, M. Liu, and J. J. Yang, Nat. Commun. 11, 51 (2020).
M. D. Pickett, G. Medeiros-Ribeiro, and R. S. Williams, Nat. Mater. 12, 114 (2013).
Y. Cao, V. Fatemi, S. Fang, K. Watanabe, T. Taniguchi, E. Kaxiras, and P. Jarillo-Herrero, Nature 556, 43 (2018).
J. M. Park, Y. Cao, K. Watanabe, T. Taniguchi, and P. Jarillo-Herrero, Nature 590, 249 (2021).
J. X. Lin, P. Siriviboon, H. D. Scammell, S. Liu, D. Rhodes, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Hone, M. S. Scheurer, and J. I. A. Li, Nat. Phys. 18, 1221 (2022).
H. Wu, Y. Wang, Y. Xu, P. K. Sivakumar, C. Pasco, U. Filippozzi, S. S. P. Parkin, Y. J. Zeng, T. McQueen, and M. N. Ali, Nature 604, 653 (2022).
D. R. Klein, L. Q. Xia, D. MacNeill, K. Watanabe, T. Taniguchi, and P. Jarillo-Herrero, Nat. Nanotech. 18, 331 (2023).
Y. Deng, Y. Yu, M. Z. Shi, Z. Guo, Z. Xu, J. Wang, X. H. Chen, and Y. Zhang, Science 367, 895 (2020).
M. Serlin, C. L. Tschirhart, H. Polshyn, Y. Zhang, J. Zhu, K. Watanabe, T. Taniguchi, L. Balents, and A. F. Young, Science 367, 900 (2020).
Q. Ma, S. Y. Xu, H. Shen, D. MacNeill, V. Fatemi, T. R. Chang, A. M. Mier Valdivia, S. Wu, Z. Du, C. H. Hsu, S. Fang, Q. D. Gibson, K. Watanabe, T. Taniguchi, R. J. Cava, E. Kaxiras, H. Z. Lu, H. Lin, L. Fu, N. Gedik, and P. Jarillo-Herrero, Nature 565, 337 (2019).
J. Xiao, Y. Wang, H. Wang, C. D. Pemmaraju, S. Wang, P. Muscher, E. J. Sie, C. M. Nyby, T. P. Devereaux, X. Qian, X. Zhang, and A. M. Lindenberg, Nat. Phys. 16, 1028 (2020).
J. Ma, Q. Gu, Y. Liu, J. Lai, P. Yu, X. Zhuo, Z. Liu, J. H. Chen, J. Feng, and D. Sun, Nat. Mater. 18, 476 (2019).
D. Afanasiev, J. R. Hortensius, M. Matthiesen, S. Mañas-Valero, M. Šiškins, M. Lee, E. Lesne, H. S. J. van der Zant, P. G. Steeneken, B. A. Ivanov, E. Coronado, and A. D. Caviglia, Sci. Adv. 7, eabf3096 (2021).
X. Wang, C. Xiao, H. Park, J. Zhu, C. Wang, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Yan, D. Xiao, D. R. Gamelin, W. Yao, and X. Xu, Nature 604, 468 (2022).
H. Bian, X. Qin, Y. Wu, Z. Yi, S. Liu, Y. Wang, C. D. S. Brites, L. D. Carlos, and X. Liu, Adv. Mater. 34, 2101895 (2022).
Y. Zhu, C. Wu, Z. Xu, Y. Liu, H. Hu, T. Guo, T. W. Kim, Y. Chai, and F. Li, Nano Lett. 21, 6087 (2021).
X. Wang, K. Yasuda, Y. Zhang, S. Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Hone, L. Fu, and P. Jarillo-Herrero, Nat. Nanotech. 17, 367 (2022).
K. Yasuda, X. Wang, K. Watanabe, T. Taniguchi, and P. Jarillo-Herrero, Science 372, 1458 (2021).
Z. Zheng, Q. Ma, Z. Bi, S. de la Barrera, M. H. Liu, N. Mao, Y. Zhang, N. Kiper, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Kong, W. A. Tisdale, R. Ashoori, N. Gedik, L. Fu, S. Y. Xu, and P. Jarillo-Herrero, Nature 588, 71 (2020).
S. C. Baek, K. W. Park, D. S. Kil, Y. Jang, J. Park, K. J. Lee, and B. G. Park, Nat. Electron. 1, 398 (2018).
G. Chen, S. Qi, J. Liu, D. Chen, J. Wang, S. Yan, Y. Zhang, S. Cao, M. Lu, S. Tian, K. Chen, P. Yu, Z. Liu, X. C. Xie, J. Xiao, R. Shindou, and J. H. Chen, Nat. Commun. 12, 6279 (2021).
Q. Song, C. A. Occhialini, E. Ergeçen, B. Ilyas, D. Amoroso, P. Barone, J. Kapeghian, K. Watanabe, T. Taniguchi, A. S. Botana, S. Picozzi, N. Gedik, and R. Comin, Nature 602, 601 (2022).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding authors
Additional information
This work was supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 62122036, 62034004, 61921005, 61974176, 62204110, and 12074176), the Natural Science Foundation of Jiangsu Province (Grant No. BK20220775), the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences (Grant No. XDB44000000), the National Key R&D Program of China (Grant Nos. 2019YFB2205400, and 2019YFB2205402), and the Fundamental Research Funds for the Central Universities (Grant No. 020414380179). Feng Miao acknowledges the support from the AIQ foundation.
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Pan, X., Li, Y., Cheng, B. et al. 2D materials for intelligent devices. Sci. China Phys. Mech. Astron. 66, 117504 (2023). https://doi.org/10.1007/s11433-022-2056-1
Received:
Accepted:
Published:
DOI: https://doi.org/10.1007/s11433-022-2056-1