Abstract
Recently, with the emergence of two-dimensional (2D) materials such as graphene, transition metal dichalcogenides, and hexagonal boron nitride, various studies on electronic and optoelectronic devices based on them have been carried out. In this review article, we discuss the representative studies on electronic and optoelectronic devices based on 2D materials and their heterostructures. Accordingly, we briefly overview the unique properties of typical 2D materials and their van der Waals heterostructures and thereafter present an in-depth review of their advantages for electronics and optoelectronics. The opportunities and challenges presented by them for future electronics and optoelectronics are discussed.
Similar content being viewed by others
References
D. Jariwala, V. K. Sangwan, L. J. Lauhon, T. J. Marks and M. C. Hersam, ACS Nano 8, 1102 (2014).
M. Buscema, J. O. Island, D. J. Groenendijk, S. I. Blanter, G. A. Steele, H. S. van der Zant and A. Castellanos-Gomez, Chem. Soc. Rev. 44, 3691 (2015).
A. K. Geim and I. V Grigorieva, Nature 499, 419 (2013).
F. H. L. Koppens, T. Mueller, P. Avouris, A. C. Ferrari, M. S. Vitiello and M. Polini, Nat. Nanotechnol. 9, 780 (2014).
G. Fiori, F. Bonaccorso, G. Iannaccone, T. Palacios, D. Neumaier, A. Seabaugh, S. K. Banerjee and L. Colombo, Nat. Nanotechnol. 9, 768 (2014).
K. S. Novoselov, A. Mishchenko, A. Carvalho and A. H. C. Neto, Science 353, aac9439 (2016).
D. Jariwala, T. J. Marks and M. C. Hersam, Nat. Mater. 16, 170 (2017).
M. Chhowalla, D. Jena and H. Zhang, Nat. Rev. Mater. 1, 1 (2016).
S. Z. Butler et al., ACS Nano 7, 2898 (2011).
D. L. Duong, S. J. Yun and Y. H. Lee, ACS Nano 11, 11803 (2017).
A. K. Geim and K. S. Novoselov, Nat. Mater. 6, 183 (2007).
K. S. Novoselov, Science 306, 666 (2004).
Y. B. Zhang, Y. W. Tan, H. L. Stormer and P. Kim, Nature 438, 201 (2005).
K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, M. I. Katsnelson, I. V. Grigorieva, S. V. Dubonos and A. A. Firsov, Nature 438, 197 (2005).
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, 11 (2008).
J. M. Dawlaty, S. Shivaraman, J. Strait, P. George, M. Chandrashekhar, F. Rana, M. G. Spencer, D. Veksler and Y. Chen, Appl. Phys. Lett. 93, 13905 (2008).
R. R. Nair, P. Blake, A. N. Grigorenko, K. S. Novoselov, T. J. Booth, T. Stauber, N. M. R. Peres and A. K. Geim, Science 320, 1308 (2008).
C. Lee, X. Wei, J. W. Kysar and J. Hone, Science 321, 385 (2008).
L. Li, Y. Yu, G. J. Ye, Q. Ge, X. Ou, H. Wu and D. Feng, Nat. Nanotechnol. 9, 1 (2014).
F. Xia, H. Wang and Y. Jia, Nat. Commun. 5, 1 (2014).
L. Li, F. Yang et al., Nat. Nanotechnol. 11, 593 (2016).
G. H. Lee, Y. J. Yu, C. Lee, C. Dean, K. L. Shepard, P. Kim and J. Hone, Appl. Phys. Lett. 99, 1 (2011).
S. M. Kim et al., Nat. Commun. 6, 8662 (2015).
L. Wang et al., Science 342, 614 (2013).
F. Withers et al., Nat. Mater. 14, 301 (2015).
X. Cui et al., Nat. Nanotechnol. 10, 534 (2015).
L. Britnell et al., Science 335, 947 (2012).
J. Wu et al., Nat. Nanotechnol. 12, 530 (2017).
B. Huang et al., Nature 546, 270 (2017).
K. S. Novoselov, D. Jiang, F. Schedin, T. J. Booth, V. V Khotkevich, S. V Morozov and A. K. Geim, Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. 102, 10451 (2005).
B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti and A. Kis, Nat. Nanotechnol. 6, 147 (2011).
J. N. Coleman et al., Science 331, 568 (2011).
J. Feng, L. Peng, C. Wu, X. Sun, S. Hu, C. Lin, J. Dai, J. Yang and Y. Xie, Adv. Mater. 24, 1969 (2012).
K. S. Kim, Y. Zhao, H. Jang, S. Y. Lee, J. M. Kim, K. S. Kim, J. H. Ahn, P. Kim, J. Y. Choi and B. H. Hong, Nature 457, 706 (2009).
X. Li et al., Science 324, 1312 (2009).
G. H. Han et al., Nat. Commun. 6, 6128 (2015).
J-H. Lee et al., Science 344, 286 (2014).
S. J. Yun et al., ACS Nano 9, 5510 (2015).
K. Kang, S. Xie, L. Huang, Y. Han, P. Y. Huang, K. F. Mak, C-J. Kim, D. Muller and J. Park, Nature 520, 656 (2015).
V. L. Nguyen et al., Adv. Mater. 27, 1376 (2015).
Y. Zhang, L. Zhang and C. Zhou, Acc. Chem. Res. 46, 2329 (2013).
T. Jurca, M. J. Moody, A. Henning, J. D. Emery, B. Wang, J. M. Tan, T. L. Lohr, L. J. Lauhon and T. J. Marks, Angew. Chemie-Int. Ed. 56, 4991 (2017).
J. J. Pyeon, S. H. Kim, D. S. Jeong, S-H. Baek, C-Y. Kang, J-S. Kim and S. K. Kim, Nanoscale. 8, 10792 (2016).
D. L. Duong et al., Nature 490, 235 (2012).
L. Karvonen et al., Nat. Commun. 8, 15714 (2017).
J. Kotakoski, C. Mangler and J. C. Meyer, Nat. Commun. 5, 1 (2014).
J. Hong, C. Jin, J. Yuan and Z. Zhang, Adv. Mater. 24, 1606434 (2017).
T. Ma, Z. Liu, J. Wen, Y. Gao, X. Ren, H. Chen, C. Jin, X. L. Ma, N. Xu, H. M. Cheng and W. Ren, Nat. Commun. 8, 1 (2017).
F. Banhart, J. Kotakoski and A. V. Krasheninnikov, ACS Nano 5, 26 (2011).
T. H. Ly, M. H. Chiu, M. Y. Li, J. Zhao, D. J. Perello, M. O. Cichocka, H. M. Oh, S. H. Chae, H. Y. Jeong, F. Yao, L. J. Li and Y. H. Lee, 8, 11401 (2014).
H. Y. Jeong et al., ACS Nano 10, 770 (2016).
A. W. Tsen et al., Science 336, 1143 (2012).
S. H. Song, M. K. Joo, M. Neumann, H. Kim and Y. H. Lee, Nat. Commun. 8, 1 (2017).
T. H. Ly, D. J. Perello, J. Zhao, Q. Deng, H. Kim, G. H. Han, S. H. Chae, H. Y. Jeong and Y. H. Lee, Nat. Commun. 7, 10426 (2016).
M-Y. Li et al., Science 349, 524 (2015).
X. Duan et al., Nat. Nanotechnol. 9, 1024 (2014).
P. K. Sahoo, S. Memaran, Y. Xin, L. Balicas and H. R. Gutiérrez, Nature 553, 63 (2018).
M. Mahjouri-Samani et al., Nat. Commun. 6, 1 (2015).
C. Huang, S. Wu, A. M. Sanchez, J. J. P. Peters, R. Beanland, J. S. Ross, P. Rivera, W. Yao, D. H. Cobden and X. Xu, Nat. Mater. 13, 1096 (2014).
Y. Gong et al., Nat. Mater. 13, 1135 (2014).
S. Wang, X. Wang and J. H. Warner, ACS Nano 9, 5246 (2015).
K. Kang, K. H. Lee, Y. Han, H. Gao, S. Xie, D. A. Muller and J. Park, Nature 550, 229 (2017).
M. M. Waldrop, Nat. News. 530, 144 (2016).
K. Bjorkqvist and T. Arnborg, Phys. Scr. 24, 418 (1981).
G. E. Moore, in IEDM Tech. Dig. (1975), p. 11.
M. Lundstrom, Science 299, 210 (2003).
S. B. Desai et al., Science 354, 99 (2016).
V. Podzorov, M. E. Gershenson, C. Kloc, R. Zeis and E. Bucher, Appl. Phys. Lett. 84, 3301 (2004).
K. F. Mak, C. Lee, J. Hone, J. Shan and T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 105, 2 (2010).
S. Cho et al., Science 349, 625 (2015).
D. H. Keum, S. Cho, J. H. Kim, D. H. Choe, H. J. Sung, M. Kan, H. Kang, J. Y. Hwang, S. W. Kim, H. Yang, K. J. Chang and Y. H. Lee, Nat. Phys. 11, 482 (2015).
D. J. Perello, S. H. Chae, S. Song and Y. H. Lee, Nat. Commun. 6, 1 (2015).
A. Dathbun, Y. Kim, S. Kim, Y. Yoo, M. S. Kang, C. Lee and J. H. Cho, Nano Lett. 17, 2999 (2017).
E. Zhang, Y. Jin, X. Yuan, W. Wang, C. Zhang, L. Tang, S. Liu, P. Zhou, W. Hu and F. Xiu, Adv. Funct. Mater. 25, 4076 (2015).
Y. C. Lin et al., ACS Nano 9, 11249 (2015).
W. Cao, W. Liu, J. Kang and K. Banerjee, IEEE Electron Device Lett. 37, 1497 (2016).
Y. Liu, J. Guo, Y. Wu, E. Zhu, N. O. Weiss, Q. He, H. Wu, H. C. Cheng, Y. Xu, I. Shakir, Y. Huang and X. Duan, Nano Lett. 16, 6337 (2016).
A. Nourbakhsh et al., Nano Lett. 16, 7798 (2016).
K. Xu et al., Nano Lett. 17, 1065 (2017).
L. Xie et al., Adv. Mater. 29, 1 (2017).
F. Zhang and J. Appenzeller, Nano Lett. 15, 301 (2015).
A-J. Cho, S. Yang, K. Park, S. D. Namgung, H. Kim and J-Y. Kwon, ECS Solid State Lett. 3, Q67 (2014).
D. J. Late, B. Liu, H. S. S. R. Matte, V. P. Dravid and C. N. R. Rao, ACS Nano 6, 5635 (2012).
J. Shu, G. Wu, Y. Guo, B. Liu, X. Wei and Q. Chen, Nanoscale. 8, 3049 (2016).
X. Zou, J. Wang, C-H. Chiu, Y. Wu, X. Xiao, C. Jiang, W-W.Wu, L.Mai, T. Chen, J. Li, J. C. Ho and L. Liao, Adv. Mater. 26, 6255 (2014).
N. Levy, S. A. Burke, K. L. Meaker, M. Panlasigui, A. Zettl, F. Guinea, A. H. C. Neto and M. F. Crommie, Science 329, 544 (2010).
S. J. Haigh et al., Nat. Mater. 11, 764 (2012).
F. Pizzocchero, L. Gammelgaard, B. S. Jessen, J. M. Caridad, L.Wang, J. Hone, P. Bggild and T. J. Booth, Nat. Commun. 7, 11894 (2016).
A. V. Kretinin et al., Nano Lett. 14, 3270 (2014).
E. Khestanova, F. Guinea, L. Fumagalli, A. K. Geim and I. V. Grigorieva, Nat. Commun. 7, 12587 (2016).
Q. A. Vu, S. Fan, S. H. Lee, M-K. Joo, W. J. Yu and Y. H. Lee, 2D Mater. 5, 031001 (2018).
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).
T. Georgiou et al., Nat. Nanotechnol. 8, 100 (2013).
W. J. Yu, Z. Li, H. Zhou, Y. Chen, Y. Wang, Y. Huang and X. Duan, Nat. Mater. 12, 246 (2013).
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. 1704435, 1 (2018).
A. M. Ionescu and H. Riel, Nature 479, 329 (2011).
O. M. Nayfeh, J. L. Hoyt and D. A. Antoniadis, IEEE Trans. Electron Devices. 56, 2264 (2009).
Y. Yang et al., in Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. IEDM (2012), p. 379.
D. Leonelli, A. Vandooren, R. Rooyackers, A. S. Verhulst, S. De Gendt, M. M. Heyns and G. Groeseneken, Jpn. J. Appl. Phys. 49, 04DC10 (2010).
H. Kam, D. T. Lee, R. T. Howe and T-J. King, in IEEE Int. Devices Meet. 2005. IEDM Tech. Dig. (2005), p. 463.
A. Rusu, G. A. Salvatore, D. Jiménez and A. M. Ionescu, in Tech. Dig.-Int. Electron Devices Meet. IEDM (2010), p. 395.
J. Jo, W. Y. Choi, J. D. Park, J. W. Shim, H. Y. Yu and C. Shin, Nano Lett. 15, 4553 (2015).
S. Salahuddin and S. Datta, Nano Lett. 8, 405 (2008).
J. Appenzeller, Y. M. Lin, J. Knoch and P. Avouris, Phys. Rev. Lett. 93, 1 (2004).
M. O. Li, D. Esseni, J. J. Nahas, D. Jena and H. G. Xing, IEEE J. Electron Devices Soc. 3, 200 (2015).
J. Xu, J. Jia, S. Lai, J. Ju and S. Lee, Appl. Phys. Lett. 110, 033103 (2017).
X. Yan, C. Liu, C. Li, W. Bao, S. Ding, D. W. Zhang and P. Zhou, Small. 13, 1 (2017).
T. Roy, M. Tosun, M. Hettick, G. H. Ahn, C. Hu and A. Javey, Appl. Phys. Lett. 108, 083111 (2016).
D. Sarkar, X. Xie, W. Liu, W. Cao, J. Kang, Y. Gong, S. Kraemer, P. M. Ajayan and K. Banerjee, Nature 526, 91 (2015).
M. Si, C-J. Su, C. Jiang, N. J. Conrad, H. Zhou, K. D. Maize, G. Qiu, C-T. Wu, A. Shakouri, M. A. Alam and P. D. Ye, Nat. Nanotechnol. 13, 24 (2017).
F. A. McGuire, Y. C. Lin, K. Price, G. B. Rayner, S. Khandelwal, S. Salahuddin and A. D. Franklin, Nano Lett. 17, 4801 (2017).
D. Kahng and S. M. Sze, The Bell System Technical Journal 1, 1288 (1967).
A. Misra, H. Kalita, M. Waikar, A. Gour, M. Bhaisare, M. Khare, M. Aslam and A. Kottantharayil, 2012 4th IEEE Int. Mem. Work. IMW 2012 (2012), p. 6.
A. J. Hong et al., ACS Nano 5, 7812 (2011).
R. Yang, C. Zhu, J. Meng, Z. Huo, M. Cheng, D. Liu, W. Yang, D. Shi, M. Liu and G. Zhang, Sci. Rep. 3, 1 (2013).
S. S. Joo, J. Kim, S. S. Kang, S. Kim, S-H. Choi and S. W. Hwang, Nanotechnology. 25, 255203 (2014).
Y. R. Kim, Y. E. Jo, Y. S. Shin, W. T. Kang, Y. H. Sung, U. Y. Won, Y. H. Lee and W. J. Yu, Appl. Phys. Lett. 106, 1 (2015).
S. Bertolazzi, D. Krasnozhon and A. Kis, ACS Nano 7, 3246 (2013).
M. S. Choi, G-H. Lee, Y-J. Yu, D-Y. Lee, S. H. Lee, P. Kim, J. Hone and W. J. Yoo, Nat. Commun. 4, 1624 (2013).
C. Ko, Y. Lee, Y. Chen, J. Suh, D. Fu, A. Suslu, S. Lee, J. D. Clarkson, H. S. Choe, S. Tongay, R. Ramesh and J. Wu, Adv. Mater. 28, 2923 (2016).
E. Zhang, W. Wang, C. Zhang, Y. Jin, G. Zhu, Q. Sun, D. W. Zhang, P. Zhou and F. Xiu, ACS Nano 9, 612 (2015).
D. Li, X. Wang, Q. Zhang, L. Zou, X. Xu and Z. Zhang, Adv. Funct. Mater. 25, 7360 (2015).
J. Wang, X. Zou, X. Xiao, L. Xu, C. Wang, C. Jiang, J. C. Ho, T. Wang, J. Li and L. Liao, Small. 11, 208 (2015).
D. Li, M. Chen, Z. Sun, P. Yu, Z. Liu, P. M. Ajayan and Z. Zhang, Nat. Nanotechnol. 12, 901 (2017).
Q. A. Vu et al., Nat. Commun. 7, 12725 (2016).
A. Star, Y. Lu, K. Bradley and G. Grüner, Nano Lett. 4, 1587 (2004).
J. Borghetti, V. Derycke, S. Lenfant, P. Chenevier, A. Filoramo, M. Goffman, D. Vuillaume and J. P. Bourgoin, Adv. Mater. 18, 2535 (2006).
S. Lei et al., Nano Lett. 15, 259 (2015).
K. Roy, M. Padmanabhan, S. Goswami, T. P. Sai, G. Ramalingam, S. Raghavan and A. Ghosh, Nat. Nanotechnol. 8, 826 (2013).
J. Lee, S. Pak, Y-W. Lee, Y. Cho, J. Hong, P. Giraud, H. S. Shin, S. M. Morris, J. I. Sohn, S. Cha and J. M. Kim, Nat. Commun. 8, 14734 (2017).
V. K. Sangwan, D. Jariwala, I. S. Kim, K-S. Chen, T. J. Marks, L. J. Lauhon and M. C. Hersam, Nat. Nanotechnol. 10, 403 (2015).
T. E. Hartman, J. C. Blair and R. Bauer, J. Appl. Phys. 37, 2468 (1966).
H. S. P. Wong, S. Raoux, S. Kim, J. L. Liang, J. P. Reifenberg, B. Rajendran, M. Asheghi and K. E. Goodson, Proc. IEEE. 98, 2201 (2010).
C. C. Yeh, T. P. Ma, N. Ramaswamy, N. Rocklein, D. Gealy, T. Graettinger and K. Min, Appl. Phys. Lett. 91, 113521 (2007).
D. Ielmini, Phys. Rev. B. 78, 035308 (2008).
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).
M. Ghoneim and M. Hussain, Electronics. 4, 424 (2015).
K. Choi, Y. T. Lee and S. Im, Nano Today. 11, 626 (2016).
Z. Yin, H. Li, H. Li, L. Jiang, Y. Shi, Y. Sun, G. Lu, Q. Zhang, X. Chen and H. Zhang, ACS Nano 6, 74 (2012).
H. Zhang, A. V. Babichev, G. Jacopin, P. Lavenus, F. H. Julien, A. Yu. Egorov, J. Zhang, T. Pauporté and M. Tchernycheva, J. Appl. Phys. 114, 234505 (2013).
A. Zhang, H. Kim, J. Cheng and Y-H. Lo, Nano Lett. 10, 2117 (2010).
O. Lopez-Sanchez, D. Lembke, M. Kayci, A. Radenovic and A. Kis, Nat. Nanotechnol. 8, 497 (2013).
B. W. H. Baugher, H. O. H. Churchill, Y. Yang and P. Jarillo-Herrero, Nat. Nanotechnol. 9, 262 (2014).
A. Pospischil, M. M. Furchi and T. Mueller, Nat. Nanotechnol. 9, 257 (2014).
J. S. Ross et al., Nat. Nanotechnol. 9, 268 (2014).
M. S. Choi, D. Qu, D. Lee, X. Liu, K. Watanabe, T. Taniguchi and W. J. Yoo, ACS Nano 8, 9332 (2014).
Z. Wang, F. Wang, L. Yin, Y. Huang, K. Xu, F. Wang, X. Zhan and J. He, Nanoscale. 8, 13245 (2016).
Y-Q. Bie et al., Nat. Nanotechnol. 12, 1124 (2017).
H. Yuan et al., Nat. Nanotechnol. 10, 707 (2015).
M. Buscema, D. J. Groenendijk, G. A. Steele, H. S. J. Van Der Zant and A. Castellanos-Gomez, Nat. Commun. 5, 1 (2014).
Y. Liu, Y. Cai, G. Zhang, Y. W. Zhang and K. W. Ang, Adv. Funct. Mater. 27, 1 (2017).
D. Kufer and G. Konstantatos, Adv. Mater. 27, 176 (2015).
C. Chen, H. Qiao, S. Lin, C. Man Luk, Y. Liu, Z. Xu, J. Song, Y. Xue, D. Li, J. Yuan, W. Yu, C. Pan, S. P. Lau and Q. Bao, Sci. Rep. 5, 1 (2015).
D. De Fazio et al., ACS Nano 10, 8252 (2016).
W. Zhang et al., Sci. Rep. 4, 3826 (2014).
L. Britnell et al., Science 340, 1311 (2013).
W. J. Yu, Y. Liu, H. Zhou, A. Yin, Z. Li, Y. Huang and X. Duan, Nat. Nanotechnol. 8, 952 (2013).
M. Massicotte et al., Nat. Nanotechnol. 11, 1 (2015).
W. J. Yu et al., Nat. Commun. 7, 13278 (2016).
C-H. Lee et al., Nat. Nanotechnol. 9, 1 (2014).
D. H. Luong, H. S. Lee, G. P. Neupane, S. Roy, G. Ghimire, J. H. Lee, Q. A. Vu and Y. H. Lee, Adv. Mater. 29, 1 (2017).
Q. A. Vu, J. H. Lee, V. L. Nguyen, Y. S. Shin, S. C. Lim, K. Lee, J. Heo, S. Park, K. Kim, Y. H. Lee and W. J. Yu, Nano Lett. 17, 453 (2017).
Y. Xu, C. Cheng, S. Du, J. Yang, B. Yu, J. Luo, W. Yin, E. Li, S. Dong, P. Ye and X. Duan, ACS Nano 10, 4895 (2016).
D. S. Schulman, A. J. Arnold and S. Das, Chem. Soc. Rev. 47, 3037 (2018).
A. Allain, J. Kang, K. Banerjee and A. Kis, Nat. Mater. 14, 1195 (2015).
M. Farmanbar and G. Brocks, Phys. Rev. B-Condens. Matter Mater. Phys. 91, 1 (2015).
X. Cui et al., Nano Lett. 17, 4781 (2017).
J. Wang, Q. Yao, C. W. Huang, X. Zou, L. Liao, S. Chen, Z. Fan, K. Zhang, W. Wu, X. Xiao, C. Jiang and W. W. Wu, Adv. Mater. 28, 8302 (2016).
Y. Liu, N. O. Weiss, X. Duan, H-C. Cheng, Y. Huang and X. Duan, Nat. Rev. Mater. 1, 16042 (2016).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Vu, Q.A., Yu, W.J. Electronics and Optoelectronics Based on Two-Dimensional Materials. J. Korean Phys. Soc. 73, 1–15 (2018). https://doi.org/10.3938/jkps.73.1
Received:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.3938/jkps.73.1