journal article·2024Open access

Wafer scale growth of single crystal two-dimensional van der Waals materials

Chetna Gautam, Baishali Thakurta, Monalisa Pal, Anup Kumar Ghosh, Anupam Giri

Nanoscale· Volume 16· Issue 12

Abstract

Two-dimensional (2D) van der Waals (vdW) materials, including graphene, hexagonal boron nitride (hBN), and metal dichalcogenides (MCs), form the basis of modern electronics and optoelectronics due to their unique electronic structure, chemical activity, and mechanical strength. Despite many proof-of-concept demonstrations so far, to fully realize their large-scale practical applications, especially in devices, wafer-scale single crystal atomically thin highly uniform films are indispensable. In this minireview, we present an overview on the strategies and highlight recent significant advances toward the synthesis of wafer-scale single crystal graphene, hBN, and MC 2D thin films. Currently, there are five distinct routes to synthesize wafer-scale single crystal 2D vdW thin films: (i) nucleation-controlled growth by suppressing the nucleation density, (ii) unidirectional alignment of multiple epitaxial nuclei and their seamless coalescence, (iii) self-collimation of randomly oriented grains on a molten metal, (iv) surface diffusion and epitaxial self-planarization and (v) seed-mediated 2D vertical epitaxy. Finally, the challenges that need to be addressed in future studies have also been described.
Source: openalex_inverted_index · Quality: candidate unverified · Source record ↗

Research context

OpenAlex topics: Graphene research and applications · 2D Materials and Applications · Nanowire Synthesis and Applications

SciVX discovery tags are terminology-based. OpenAlex topics are source-provided classifications.

Affiliations

Department of Physics, Institute of Science, Banaras Hindu University, Varanasi, UP – 221005, India

Department of Chemistry, Institute of Science, Banaras Hindu University, Varanasi, UP – 221005, India

Department of Chemistry, Faculty of Science, University of Allahabad, Prayagraj, UP-211002, India

Funding

Science and Engineering Research Board

References (100+)

Show source-provided references
1. Novoselov · Science · 2016 · 353 · aac943910.1126/science.aac9439 ↗
2. Mak · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 105 · 13680510.1103/PhysRevLett.105.136805 ↗
3. Xu · Chem. Rev. · 2013 · 113 · 376610.1021/cr300263a ↗
4. Giri · Chem. Rev. · 2023 · 123 · 332910.1021/acs.chemrev.2c00455 ↗
5. Lemme · Nat. Commun. · 2022 · 13 · 139210.1038/s41467-022-29001-4 ↗
6. Zeng · Chem. Rev. · 2018 · 118 · 623610.1021/acs.chemrev.7b00633 ↗
7. Xia · Nat. Photonics · 2014 · 8 · 89910.1038/nphoton.2014.271 ↗
8. Miao · J. Mater. Chem. C · 2021 · 9 · 1360010.1039/D1TC02976B ↗
9. Li · Nature · 2016 · 529 · 18510.1038/nature16175 ↗
10. Tőke · Phys. Rev. B: Condens. Matter Mater. Phys. · 2014 · 90 · 03540410.1103/PhysRevB.90.035404 ↗
11. Ye · Science · 2012 · 338 · 119310.1126/science.1228006 ↗
12. Park · Nat. Mater. · 2022 · 21 · 87710.1038/s41563-022-01287-1 ↗
13. Cao · Nature · 2018 · 556 · 4310.1038/nature26160 ↗
14. Neumaier · Nat. Mater. · 2019 · 18 · 52510.1038/s41563-019-0359-7 ↗
15. Dusastre · Nat. Mater. · 2019 · 18 · 51910.1038/s41563-019-0394-4 ↗
16. Lin · Nat. Mater. · 2019 · 18 · 52010.1038/s41563-019-0341-4 ↗
17. Singh · Chem. Commun. · 2024 · 60 · 26510.1039/D3CC04610A ↗
18. Zhou · Nature · 2018 · 556 · 35510.1038/s41586-018-0008-3 ↗
19. Wang · Nature · 2019 · 570 · 9110.1038/s41586-019-1226-z ↗
20. Lee · Science · 2018 · 362 · 81710.1126/science.aau2132 ↗
21. Giri · Adv. Mater. · 2021 · 33 · 210225210.1002/adma.202102252 ↗
22. Chen · Nature · 2020 · 579 · 21910.1038/s41586-020-2009-2 ↗
23. Luo · Adv. Mater. · 2019 · 31 · 190361510.1002/adma.201903615 ↗
24. Ma · Nature · 2022 · 606 · 8810.1038/s41586-022-04745-7 ↗
25. Wang · Nature · 2021 · 596 · 51910.1038/s41586-021-03753-3 ↗
26. Lee · Science · 2014 · 344 · 28610.1126/science.1252268 ↗
27. Li · Nat. Mater. · 2022 · 21 · 74010.1038/s41563-021-01174-1 ↗
28. Li · Nat. Nanotechnol. · 2021 · 16 · 120110.1038/s41565-021-00963-8 ↗
29. Wang · Nat. Nanotechnol. · 2022 · 17 · 3310.1038/s41565-021-01004-0 ↗
30. Aljarb · Nat. Mater. · 2020 · 19 · 130010.1038/s41563-020-0795-4 ↗
31. Choi · Adv. Mater. · 2021 · 33 · 200660110.1002/adma.202006601 ↗
32. Yang · ACS Nano · 2020 · 14 · 503610.1021/acsnano.0c01478 ↗
33. Sun · Nature · 2010 · 468 · 54910.1038/nature09579 ↗
34. Yang · Small · 2013 · 9 · 135310.1002/smll.201203126 ↗
35. Liu · Nano Lett. · 2012 · 12 · 153810.1021/nl2043612 ↗
36. Allen · Chem. Rev. · 2010 · 110 · 13210.1021/cr900070d ↗
37. Novoselov · Nature · 2012 · 490 · 19210.1038/nature11458 ↗
38. Zhang · Chem. Rev. · 2021 · 121 · 632110.1021/acs.chemrev.0c01191 ↗
39. Giri · Adv. Mater. · 2018 · 30 · 170757710.1002/adma.201707577 ↗
40. Han · Chem. Rev. · 2018 · 118 · 629710.1021/acs.chemrev.7b00618 ↗
41. Cai · Chem. Rev. · 2018 · 118 · 609110.1021/acs.chemrev.7b00536 ↗
42. Lin · Chem. Rev. · 2022 · 122 · 1520410.1021/acs.chemrev.2c00048 ↗
43. Dai · Chem. Rev. · 2022 · 122 · 1031910.1021/acs.chemrev.1c00924 ↗
44. Steiner · J. Phys. Chem. C · 2023 · 127 · 1155910.1021/acs.jpcc.3c00206 ↗
45. Islam · Nanoscale Adv. · 2023 · 5 · 404110.1039/D3NA00382E ↗
46. Liu · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 105 · 23550210.1103/PhysRevLett.105.235502 ↗
47. Artyukhov · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2012 · 109 · 1513610.1073/pnas.1207519109 ↗
48. Shu · ACS Nano · 2012 · 6 · 324310.1021/nn300726r ↗
49. Ma · Proc. Natl. Acad. Sci. U. S. A. · 2013 · 110 · 2038610.1073/pnas.1312802110 ↗
50. Li · J. Am. Chem. Soc. · 2017 · 139 · 48210.1021/jacs.6b11076 ↗
51. Zhang · Nano Lett. · 2016 · 16 · 139810.1021/acs.nanolett.5b04874 ↗
52. Zhao · Chem. Soc. Rev. · 2023 · 52 · 165010.1039/D2CS00657J ↗
53. Kim · Adv. Mater. · 2023 · 35 · 220337310.1002/adma.202203373 ↗
54. Singh · Adv. Sci. · 2024 · 230783910.1002/advs.202307839 ↗
55. Gao · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 620410.1021/ja2104119 ↗
56. Gao · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 500910.1021/ja110927p ↗
57. Murdock · ACS Nano · 2013 · 7 · 135110.1021/nn3049297 ↗
58. Ma · Nat. Commun. · 2019 · 10 · 280910.1038/s41467-019-10691-2 ↗
59. Dong · Nat. Commun. · 2020 · 11 · 586210.1038/s41467-020-19752-3 ↗
60. Huang · ACS Nano · 2018 · 12 · 611710.1021/acsnano.8b02444 ↗
61. Song · Nano Res. · 2015 · 8 · 316410.1007/s12274-015-0816-9 ↗
62. Li · Science · 2009 · 324 · 131210.1126/science.1171245 ↗
63. Vlassiouk · Nat. Mater. · 2018 · 17 · 31810.1038/s41563-018-0019-3 ↗
64. Deng · Adv. Mater. · 2019 · 31 · 180099610.1002/adma.201800996 ↗
65. Wu · Nat. Mater. · 2016 · 15 · 4310.1038/nmat4477 ↗
66. Yu · Nat. Mater. · 2011 · 10 · 44310.1038/nmat3010 ↗
67. Liu · J. Mater. Chem. · 2012 · 22 · 149810.1039/C1JM14272K ↗
68. Wang · J. Am. Chem. Soc. · 2012 · 134 · 362710.1021/ja2105976 ↗
69. Yan · ACS Nano · 2012 · 6 · 911010.1021/nn303352k ↗
70. Hao · Science · 2013 · 342 · 72010.1126/science.1243879 ↗
71. Hao · Nat. Nanotechnol. · 2016 · 11 · 42610.1038/nnano.2015.322 ↗
72. Lin · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 467110.1002/adma.201600403 ↗
73. Wang · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 896810.1002/adma.201603579 ↗
74. Sun · Small · 2018 · 14 · 170291610.1002/smll.201702916 ↗
75. Ding · ACS Nano · 2016 · 10 · 1119610.1021/acsnano.6b06265 ↗
76. Zhou · Nat. Commun. · 2013 · 4 · 209610.1038/ncomms3096 ↗
77. Li · J. Am. Chem. Soc. · 2011 · 133 · 281610.1021/ja109793s ↗
78. Chen · Adv. Mater. · 2013 · 25 · 206210.1002/adma.201204000 ↗
79. Kim · Nanotechnology · 2013 · 24 · 36560210.1088/0957-4484/24/36/365602 ↗
80. Reckinger · Nanoscale · 2016 · 8 · 1875110.1039/C6NR02936A ↗
81. Ibrahim · Carbon · 2017 · 123 · 40210.1016/j.carbon.2017.07.074 ↗
82. Yu · ACS Nano · 2014 · 8 · 863610.1021/nn503476j ↗
83. Liu · Carbon · 2011 · 49 · 412210.1016/j.carbon.2011.05.047 ↗
84. Won · Carbon · 2013 · 54 · 47210.1016/j.carbon.2012.12.007 ↗
85. Griep · Cryst. Growth Des. · 2017 · 17 · 572510.1021/acs.cgd.7b00687 ↗
86. Pan · J. Electrochem. Soc. · 2012 · 159 · H32910.1149/2.060203jes ↗
87. Gan · ACS Nano · 2013 · 7 · 948010.1021/nn404393b ↗
88. Guo · Adv. Mater. · 2016 · 28 · 315210.1002/adma.201503705 ↗
89. Lin · ACS Nano · 2016 · 10 · 292210.1021/acsnano.6b00041 ↗
90. Ren · Nano Res. · 2017 · 10 · 118910.1007/s12274-017-1534-2 ↗
91. Ma · ACS Nano · 2014 · 8 · 1280610.1021/nn506041t ↗
92. Dai · Nano Lett. · 2016 · 16 · 316010.1021/acs.nanolett.6b00486 ↗
93. Xu · Sci. Bull. · 2017 · 62 · 107410.1016/j.scib.2017.07.005 ↗
94. Gao · Appl. Phys. Lett. · 2011 · 98 · 03310110.1063/1.3543624 ↗
95. Gao · ACS Nano · 2011 · 5 · 919410.1021/nn203440r ↗
96. Gao · Nat. Commun. · 2012 · 3 · 69910.1038/ncomms1702 ↗
97. Kang · Carbon · 2021 · 181 · 22510.1016/j.carbon.2021.05.027 ↗
98. Ogurtani · Surf. Interface Anal. · 2018 · 50 · 54710.1002/sia.6423 ↗
99. Zhang · Small · 2019 · 15 · 180539510.1002/smll.201805395 ↗
100. Chen · Phys. Rev. Lett. · 2010 · 104 · 18610110.1103/PhysRevLett.104.186101 ↗