Abstract
After the discovery of graphene, other two-dimensional (2D) layered crystals have attracted extensive attention because of their fundamental physical properties. Semiconducting 2D solids, such as transition metal dichalcogenides (TMDCs), has superior benefits in terms of the ultra-thin body, high mechanical strength, and thermal stability. Most importantly, a new material platform could overcome the performance of graphene with a sizable electronic gap. As expected, the materials have a variety of device applications. Atomically thin TMDC layer preparation and assembly have been combined for generating a van der Waals layered material due to lack of robust techniques for epitaxial growth. In spite of significant research efforts on material growth, large-scale growth with defect-free film quality remains a challenge. Here, we provide an overview of the traditional approach and recent progress in top-down methods such as vapor phase growth and solution processes. Layer-by-layer stacking of diverse material toward the realization of complex heterostructured devices is discussed. State-of-the-art assembling techniques with alternative methods are described.
Similar content being viewed by others
References
K. S. Novoselov, Z. Jiang, Y. Zhang, S. Morozov, H. Stormer, U. Zeitler, J. Maan, G. Boebinger, P. Kim and A. Geim, Science 315, 1379 (2007).
H. Dery, P. Dalal, Ł. Cywiński and L. J. Sham, Nature 447, 573 (2007).
J. S. Bunch, A. M. van der Zande, S. S. Verbridge, I. W. Frank, D. M. Tanenbaum, J. M. Parpia, H. G. Craighead and P. L. McEuen, Science 315, 490 (2007).
L. Liao, Y-C. Lin, M. Bao, R. Cheng, J. Bai, Y. Liu, Y. Qu, K. L. Wang, Y. Huang and X. Duan, Nature 467, 305 (2010).
Y-M. Lin, C. Dimitrakopoulos, K. A. Jenkins, D. B. Farmer, H-Y. Chiu, A. Grill and P. Avouris, Science 327, 662 (2010).
C. Ataca, H. S¸ahin and S. Ciraci, J. Phys. Chem. C 116, 8983 (2012).
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).
X. Hong, J. Kim, S-F. Shi, Y. Zhang, C. Jin, Y. Sun, S. Tongay, J. Wu, Y. Zhang and F. Wang, Nat. Nanotechnol. 9, 682 (2014).
D. Chu, Y. H. Lee and E. K. Kim, Sci. Adv. 3, e1602726 (2017).
K. S. Novoselov, A. K. Geim, S. V. Morozov, D. Jiang, Y. Zhang, S. V. Dubonos, I. V. Grigorieva and A. A. Firsov, Science 306, 666 (2004).
P. Blake, E. W. Hill, A. H. Castro Neto, K. S. Novoselov, D. Jiang, R. Yang, T. J. Booth and A. K. Geim, Appl. Phys. Lett. 91, 063124 (2007).
M. M. Benameur, B. Radisavljevic, J. S. Heron, S. Sahoo, H. Berger and A. Kis, Nanotechnology 22, 125706 (2011).
H. Li, J. Wu, X. Huang, G. Lu, J. Yang, X. Lu, Q. Xiong and H. Zhang, ACS Nano 7, 10344 (2013).
S. Y. Hu, C. H. Liang, K. K. Tiong and Y. S. Huang, J. Alloys Compd. 442, 249 (2007).
K. K. Tiong and T. S. Shou, Journal of Physics: Condensed Matter 12, 5043 (2000).
P. C. Yen, Y. S. Huang and K. K. Tiong, J. Phys.: Condens. Matter 16, 2171 (2004).
S. Y. Hu, M. C. Cheng, K. K. Tiong and Y. S. Huang, J. Phys.: Condens. Matter 17, 3575 (2005).
S. Y. Hu, C. H. Liang, K. K. Tiong, Y. C. Lee and Y. S. Huang, J. Cryst. Growth 285, 408 (2005).
J. Suh, T-E. Park, D-Y. Lin, D. Fu, J. Park, H. J. Jung, Y. Chen, C. Ko, C. Jang, Y. Sun, R. Sinclair, J. Chang, S. Tongay and J. Wu, Nano Lett. 14, 6976 (2014).
D. Qiu, D. U. Lee, K. S. Lee, S. W. Pak and E. K. Kim, Nano Res. 9, 2319 (2016).
S. Bertolazzi, D. Krasnozhon and A. Kis, ACS Nano 7, 3246 (2013).
W. J. Yu, Z. Li, H. L. Zhou, Y. Chen, Y. Wang, Y. Huang and X. F. Duan, Nat. Mater. 12, 246 (2013).
Y-F. Lin, W. Li, S-L. Li, Y. Xu, A. Aparecido-Ferreira, K. Komatsu, H. Sun, S. Nakaharai and K. Tsukagoshi, Nanoscale 6, 795 (2014).
S. Yohta, M. Rai, Y. Takehiro, I. Yoshihisa, M. Sei, Y. Naoto, M. Satoru and M. Tomoki, Jpn. J. Appl. Phys. 54, 04DJ04 (2015).
H. Wang, L. L. Yu, Y. H. Lee, Y. M. Shi, A. Hsu, M. L. Chin, L. J. Li, M. Dubey, J. Kong and T. Palacios, Nano Lett. 12, 4674 (2012).
B. Radisavljevic, M. B. Whitwick and A. Kis, ACS Nano 5, 9934 (2011).
B. Radisavljevic, A. Radenovic, J. Brivio, V. Giacometti and A. Kis, Nat. Nanotechnol. 6, 147 (2011).
Y. J. Zhan, Z. Liu, S. Najmaei, P. M. Ajayan and J. Lou, Small 8, 966 (2012).
Y. C. Lin, W. J. Zhang, J. K. Huang, K. K. Liu, Y. H. Lee, C. T. Liang, C. W. Chu and L. J. Li, Nanoscale 4, 6637 (2012).
Y. H. Lee, X. Q. Zhang, W. J. Zhang, M. T. Chang, C. T. Lin, K. D. Chang, Y. C. Yu, J. T. W. Wang, C. S. Chang, L. J. Li and T. W. Lin, Adv. Mater. 24, 2320 (2012).
X. Ling, Y. H. Lee, Y. X. Lin, W. J. Fang, L. L. Yu, M. S. Dresselhaus and J. Kong, Nano Lett. 14, 464 (2014).
Y. H. Lee, L. L. Yu, H. Wang, W. J. Fang, X. Ling, Y. M. Shi, C. T. Lin, J. K. Huang, M. T. Chang, C. S. Chang, M. Dresselhaus, T. Palacios, L. J. Li and J. Kong, Nano Lett. 13, 1852 (2013).
K. K. Liu, W. J. Zhang, Y. H. Lee, Y. C. Lin, M. T. Chang, C. Su, C. S. Chang, H. Li, Y. M. Shi, H. Zhang, C. S. Lai and L. J. Li, Nano Lett. 12, 1538 (2012).
D. Qiu, D. U. Lee, S. W. Pak and E. K. Kim, Thin Solid Films 587, 47 (2015).
S. J. Park, S. W. Pak, D. Qiu, J. H. Kang, D. Y. Song and E. K. Kim, J. Lumin. 183, 62 (2017).
A. M. van der Zande, P. Y. Huang, D. A. Chenet, T. C. Berkelbach, Y. M. You, G. H. Lee, T. F. Heinz, D. R. Reichman, D. A. Muller and J. C. Hone, Nat. Mater. 12, 554 (2013).
S. Najmaei, Z. Liu, W. Zhou, X. L. Zou, G. Shi, S. D. Lei, B. I. Yakobson, J. C. Idrobo, P. M. Ajayan and J. Lou, Nat. Mater. 12, 754 (2013).
Y. Zhang, Y. F. Zhang, Q. Q. Ji, J. Ju, H. T. Yuan, J. P. Shi, T. Gao, D. L. Ma, M. X. Liu, Y. B. Chen, X. J. Song, H. Y. Hwang, Y. Cui and Z. F. Liu, ACS Nano 7, 8963 (2013).
J. K. Huang, J. Pu, C. L. Hsu, M. H. Chiu, Z. Y. Juang, Y. H. Chang, W. H. Chang, Y. Iwasa, T. Takenobu and L. J. Li, ACS Nano 8, 923 (2014).
A. L. Elias et al., ACS Nano 7, 5235 (2013).
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).
G-H. Lee, Y-J. Yu, C. Lee, C. Dean, K. L. Shepard, P. Kim and J. Hone, Appl. Phys. Lett. 99, 243114 (2011).
D. Chu, S. W. Pak and E. K. Kim, Sci. Rep. 8, 10585 (2018).
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, Nat. Nanotechnol. 5, 722 (2010).
M. Okada, T. Sawazaki, K. Watanabe, T. Taniguch, H. Hibino, H. Shinohara and R. Kitaura, ACS Nano 8, 8273 (2014).
S. Wang, X. Wang and J. H. Warner, ACS Nano 9, 5246 (2015).
A. Yan, J. Velasco, S. Kahn, K. Watanabe, T. Taniguchi, F. Wang, M. F. Crommie and A. Zettl, Nano Lett. 15, 6324 (2015).
L. Fu, Y. Sun, N. Wu, R. G. Mendes, L. Chen, Z. Xu, T. Zhang, M. H. Rümmeli, B. Rellinghaus, D. Pohl, L. Zhuang and L. Fu, ACS Nano 10, 2063 (2016).
Z. Zhang, X. Ji, J. Shi, X. Zhou, S. Zhang, Y. Hou, Y. Qi, Q. Fang, Q. Ji, Y. Zhang, M. Hong, P. Yang, X. Liu, Q. Zhang, L. Liao, C. Jin, Z. Liu and Y. Zhang, ACS Nano 11, 4328 (2017).
Y. M. Shi, W. Zhou, A. Y. Lu, W. J. Fang, Y. H. Lee, A. L. Hsu, S. M. Kim, K. K. Kim, H. Y. Yang, L. J. Li, J. C. Idrobo and J. Kong, Nano Lett. 12, 2784 (2012).
G. W. Shim, K. Yoo, S-B. Seo, J. Shin, D. Y. Jung, I-S. Kang, C. W. Ahn, B. J. Cho and S-Y. Choi, ACS Nano 8, 6655 (2014).
M. Zhao, Y. Ye, Y. Han, Y. Xia, H. Zhu, S. Wang, Y. Wang, D. A. Muller and X. Zhang, Nat. Nanotechnol. 11, 954 (2016).
X. Zhang, F. Meng, J. R. Christianson, C. Arroyo- Torres, M. A. Lukowski, D. Liang, J. R. Schmidt and S. Jin, Nano Lett. 14, 3047 (2014).
X. Li, M-W. Lin, J. Lin, B. Huang, A. A. Puretzky, C. Ma, K. Wang, W. Zhou, S. T. Pantelides, M. Chi, I. Kravchenko, J. Fowlkes, C. M. Rouleau, D. B. Geohegan and K. Xiao, Sci. Adv. 2, e1501882 (2016).
M-Y. Li, Y. 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, WH. Chang, K. Suenaga and L-J. Li, Science 349, 524 (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).
X. Duan, C. Wang, J. C. Shaw, R. Cheng, Y. Chen, H. Li, X. Wu, Y. Tang, Q. Zhang, A. Pan, J. Jiang, R. Yu, Y. Huang and X. Duan, Nat. Nanotechnol. 9, 1024 (2014).
Y. Gong, J. Lin, X. Wang, G. Shi, S. Lei, Z. Lin, X. Zou, G. Ye, R. Vajtai, B. I. Yakobson, H. Terrones, M. Terrones, Beng K. Tay, J. Lou, S. T. Pantelides, Z. Liu, W. Zhou and P. M. Ajayan, Nat. Mater. 13, 1135 (2014).
J. N. Coleman et al., Science 331, 568 (2011).
L. S. Kyo, C. Dongil, S. Da Ye, P. S. Woo and K. E. Kyu, Nanotechnology 28, 195703 (2017).
G. Eda, H. Yamaguchi, D. Voiry, T. Fujita, M. Chen and M. Chhowalla, Nano Lett. 11, 5111 (2011).
Z. Zeng, Z. Yin, X. Huang, H. Li, Q. He, G. Lu, F. Boey and H. Zhang, Angew. Chem., Int. Ed. 50, 11093 (2011).
J. Kim et al., Nat. Commun. 6, 8294 (2015).
D. McManus et al., Nat. Nanotechnol. 12, 343 (2017).
S. K. Lee, D. Chu, J. Yoo and E. K. Kim, Sol. Energy Mater. Sol. Cells 184, 9 (2018).
L. Jiantong, M. N. Maziar, V. Sam, C. L. Max and Ö. Mikael, Adv. Funct. Mater. 24, 6524 (2014).
G. Cunningham, M. Lotya, C. S. Cucinotta, S. Sanvito, S. D. Bergin, R. Menzel, M. S. P. Shaffer and J. N. Coleman, ACS Nano 6, 3468 (2012).
A. O’Neill, U. Khan and J. N. Coleman, Chem. Mater. 24, 2414 (2012).
A. Jawaid, D. Nepal, K. Park, M. Jespersen, A. Qualley, P. Mirau, L. F. Drummy and R. A. Vaia, Chem. Mater. 28, 337 (2016).
D. Gopalakrishnan, D. Damien and M. M. Shaijumon, ACS Nano 8, 5297 (2014).
K. Lee, H-Y. Kim, M. Lotya, J. N. Coleman, G-T. Kim and G. S. Duesberg, Adv. Mater. 23, 4178 (2011).
S. Ghosh, A. Winchester, B. Muchharla, M. Wasala, S. Feng, A. L. Elias, M. B. M. Krishna, T. Harada, C. Chin, K. Dani, S. Kar, M. Terrones and S. Talapatra, Sci. Rep. 5, 11272 (2015).
J. S. Ronan et al., Adv. Mater. 23, 3944 (2011).
P. May, U. Khan, J. M. Hughes and J. N. Coleman, J. Phys. Chem. C 116, 11393 (2012).
X. Yu, M. S. Prévot and K. Sivula, Chem. Mater. 26, 5892 (2014).
Z. Zhiyuan, S. Ting, Z. Jixin, H. Xiao, Y. Zongyou, L. Gang, F. Zhanxi, Y. Qingyu, H. H. Hoon and Z. Hua, Angew. Chem., Int. Ed. 51, 9052 (2012).
J. Zheng, H. Zhang, S. Dong, Y. Liu, C. T. Nai, H. S. Shin, H. Y. Jeong, B. Liu and K. P. Loh, Nat. Commun. 5, 3995 (2014).
K. Parvez, Z-S. Wu, R. Li, X. Liu, R. Graf, X. Feng and K. Müllen, J. Am. Chem. Soc. 136, 6083 (2014).
Z. Zeng, C. Tan, X. Huang, S. Bao and H. Zhang, Energy Environ. Sci. 7, 797 (2014).
A. Castellanos-Gomez, M. Buscema, R. Molenaar, V. Singh, L. Janssen, H. S. J. van der Zant and G. A. Steele, 2D Mater. 1, 011002 (2014).
J. D. Caldwell et al., ACS Nano 4, 1108 (2010).
A. Gurarslan, Y. Yu, L. Su, Y. Yu, F. Suarez, S. Yao, Y. Zhu, M. Ozturk, Y. Zhang and L. Cao, ACS Nano 8, 11522 (2014).
P. J. Zomer, S. P. Dash, N. Tombros and B. J. v. Wees, Appl. Phys. Lett. 99, 232104 (2011).
K. Choi, Y. T. Lee, S-W. Min, H. S. Lee, T. Nam, H. Kim and S. Im, J. Mater. Chem. C 1, 7803 (2013).
F. Ying and C. Ke, Nanotechnology 26, 035302 (2015).
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).
M. A. Meitl, Z-T. Zhu, V. Kumar, K. J. Lee, X. Feng, Y. Y. Huang, I. Adesida, R. G. Nuzzo and J. A. Rogers, Nat. Mater. 5, 33 (2005).
F. Pizzocchero, L. Gammelgaard, B. S. Jessen, J. M. Caridad, L. Wang, J. Hone, P. Bøggild and T. J. Booth, Nat. Commun. 7, 11894 (2016).
X. Ma, Q. Liu, D. Xu, Y. Zhu, S. Kim, Y. Cui, L. Zhong and M. Liu, Nano Lett. 17, 6961 (2017).
S. Goler, V. Piazza, S. Roddaro, V. Pellegrini, F. Beltram and P. Pingue, J. Appl. Phys. 110, 064308 (2011).
D. Qiu and E. K. Kim, Sci. Rep. 5, 13743 (2015).
D. Qiu, D. U. Lee, C. S. Park, K. S. Lee and E. K. Kim, Nanoscale 7, 17556 (2015).
J. Achint, B. Palash, H. Sebastian, P. Markus, T. Takashi, W. Kenji and N. Lukas, Nanotechnology 29, 265203 (2018).
H. Li, J. Wu, X. Huang, Z. Yin, J. Liu and H. Zhang, ACS Nano 8, 6563 (2014).
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. JuL et al., Nat. Nanotechnol. 9, 348 (2014).
C-H. Lee, G-H. Lee, A. M. van der Zande, W. Chen, Y. Li, M. Han, X. Cui, G. Arefe, C. Nuckolls, T. F. Heinz, J. Guo, J. Hone and P. Kim, Nat. Nanotechnol. 9, 676 (2014).
P. J. Jeon, S-W. Min, J. S. Kim, S. R. A. Raza, K. Choi, H. S. Lee, Y. T. Lee, D. K. Hwang, H. J. Choi and S. Im, J. Mater. Chem. C 3, 2751 (2015).
X. Li, W. Cai, J. An, S. Kim, J. Nah, D. Yang, R. Piner, A. Velamakanni, I. Jung, E. Tutuc, S. K. Banerjee, L. Colombo and R. S. Ruoff, Science 324, 1312 (2009).
A. Reina, X. Jia, J. Ho, D. Nezich, H. Son, V. Bulovic, M. S. Dresselhaus and J. Kong, Nano Lett. 9, 30 (2009).
A. Reina, H. Son, L. Jiao, B. Fan, M. S. Dresselhaus, Z. Liu and J. Kong, J. Phys. Chem. C 112, 17741 (2008).
M. Her, R. Beams and L. Novotny, Phys. Lett. A 377, 1455 (2013).
X. Liang, B. A. Sperling, I. Calizo, G. Cheng, C. A. Hacker, Q. Zhang, Y. Obeng, K. Yan, H. Peng and Q. Li, ACS Nano 5, 9144 (2011).
G. A. Salvatore, N. Muünzenrieder, C. Barraud, L. Petti, C. Zysset, L. Buüthe, K. Ensslin and G. Tröster, ACS Nano 7, 8809 (2013).
M. M. Furchi, A. Pospischil, F. Libisch, J. Burgdörfer and T. Mueller, Nano Lett. 14, 4785 (2014).
X-D. Chen, Z-B. Liu, W-S. Jiang, X-Q. Yan, F. Xing, P. Wang, Y. Chen and J-G. Tian, Sci. Rep. 3, 03216 (2013).
Z. Zhang, J. Du, D. Zhang, H. Sun, L. Yin, L. Ma, J. Chen, D. Ma, H-M. Cheng and W. Ren, Nat. Commun. 8, 14560 (2017).
K. Kang, K-H. Lee, Y. Han, H. Gao, S. Xie, D. A. Muller and J. Park, Nature 550, 229 (2017).
K. Kang, J. Song, F-Y. Kam, R-Q. Png, W-L. Seah, JM. Zhuo, G-K. Lim, P. K. H. Ho and L-L. Chua, Nat. Nanotechnol. 8, 356 (2013).
P. Li, C. Chen, J. Zhang, S. Li, B. Sun and Q. Bao, Front. Mater. 1, 26 (2014).
Acknowledgments
This work was supported by the National Research Foundation of Korea grant funded by the Korean government (Ministry of Science and ICT) (NRF2016R1A2B4011706).
Author information
Authors and Affiliations
Corresponding author
Additional information
Previously known as Dongri Qiu
Rights and permissions
About this article
Cite this article
Chu, D., Kim, E.K. Recent Advances in Synthesis and Assembly of van der Waals Materials. J. Korean Phys. Soc. 73, 805–816 (2018). https://doi.org/10.3938/jkps.73.805
Received:
Published:
Issue Date:
DOI: https://doi.org/10.3938/jkps.73.805