Two-dimensional (2D) materials are currently object of many interests both from a basic and a technological standpoint. In particular, graphene (Gr) and the semiconducting transition metal dichalcogenides (including MoS2, WS2, MoSe2, WSe2) have been widely investigated for transistors applications. As a matter of fact, 2D materials present peculiar nanoscale structural and electrical inhomogeneities, related to the specific synthesis mechanisms and to the interaction with the substrate, which are ultimately reflected in the macroscopic electrical behaviour of electronic devices based on these systems. In this context, conductive atomic force microscopy (CAFM) is the method of choice to investigate the mechanisms of current injection between contacts and 2D materials and/or the lateral homogeneity of 2D materials electrical properties. This paper will discuss some case studies of CAFM applications to Gr and MoS2, to illustrate the potentiality of this characterization method for 2D materials investigation. The results of these nanoscale analyses will be used to explain the electrical behaviour of field effect transistors fabricated on these materials.

1.
K. S.
Novoselov
,
A. K.
Geim
,
S. V.
Morozov
,
D.
Jiang
,
Y.
Zhang
,
S. V.
Dubonos
,
I. V.
Grigorieva
,
A. A.
Firsov
,
Science
306
,
666
(
2004
).
2.
A. K.
Geim
,
I. V.
Grigorieva
,
Nature
499
,
419
425
(
2013
).
3.
K. I.
Bolotin
,
K. J.
Sikes
,
J. H.
Hone
,
L.
Stormer
,
P.
Kim
,
Phys. Rev. Lett.
101
,
096802
(
2008
).
4.
C. R.
Dean
,
A. F.
Young
,
I.
Meric
,
C.
Lee
,
L.
Wang
,
S.
Sorgenfrei
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
P.
Kim
,
K. L.
Shepard
, et al,
Nat. Nanotechnol.
5
,
722
726
(
2010
).
5.
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
, et al,
Nano Lett.
11
,
2396
2399
(
2011
).
6.
F.
Giannazzo
,
V.
Raineri
,
Rivista del Nuovo Cimento
35
,
267
304
(
2012
).
7.
L.
Liao
,
X.
Duan
,
Mater. Today
15
,
328
338
(
2012
).
8.
F.
Schwierz
,
Nat. Nanotechnol.
5
,
487
496
(
2010
).
9.
Q. H.
Wang
,
K. K.
Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
,
699
(
2012
).
10.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
,
A.
Kis
,
Nature Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
11.
Y.
Yoon
,
K.
Ganapathi
,
S.
Salahuddin
,
Nano Lett.
11
,
3768
3773
(
2011
).
12.
F.
Giannazzo
,
G.
Greco
,
F.
Roccaforte
and
S. S.
Sonde
,
Crystals
8
,
70
(
2018
).
13.
H.
Wang
,
F.
Liu
,
W.
Fu
,
Z.
Fang
,
W.
Zhoue
,
Z.
Liu
,
Nanoscale
6
,
12250
12272
(
2014
).
14.
L.
Britnell
,
R.V.
Gorbachev
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
F.
Schedin
,
A.
Mishchenko
,
T.
Georgiou
,
M. I.
Katsnelson
,
L.
Eaves
,
S. V.
Morozov
, et al,
Science
335
,
947
950
(
2012
).
15.
H.
Yang
,
J.
Heo
,
S.
Park
,
H. J.
Song
,
D. H.
Seo
,
K.-E.
Byun
,
P.
Kim
,
I.
Yoo
,
H.-J.
Chung
,
K.
Kim
,
Science
336
,
1140
1143
(
2012
).
16.
S.
Vaziri
,
G.
Lupina
,
C.
Henkel
,
A. D.
Smith
,
M.
Ostling
,
J.
Dabrowski
,
G.
Lippert
,
W.
Mehr
,
M.C.
Lemme
,
Nano Lett.
13
,
1435
1439
(
2013
).
17.
C. M.
Torres
,
Y. W.
Lan
,
C.
Zeng
,
J. H.
Chen
,
X.
Kou
,
A.
Navabi
,
J.
Tang
,
M.
Montazeri
,
J. R.
Adleman
,
M. B.
Lerner
, et al,
Nano Lett.
15
,
7905
7912
(
2015
).
18.
G.
Fisichella
,
G.
Greco
,
F.
Roccaforte
,
F.
Giannazzo
,
Nanoscale
6
,
8671
8680
(
2014
).
19.
F.
Giannazzo
,
G.
Fisichella
,
G.
Greco
,
A.
La Magna
,
F.
Roccaforte
,
B.
Pecz
,
R.
Yakimova
,
R.
Dagher
,
A.
Michon
,
Y.
Cordier
,
Phys. Status Solidi A
214
,
1600460
(
2017
).
20.
F.
Giannazzo
,
G.
Fisichella
,
G.
Greco
,
E.
Schilirò
,
I.
Deretzis
,
R. Lo
Nigro
,
A.
La Magna
,
F.
Roccaforte
,
F.
Iucolano
,
S.
Lo Verso
, et al 
Phys. Status Solidi A
215
,
1700653
(
2018
).
21.
A.
Zubair
,
A.
Nourbakhsh
,
J.-Y.
Hong
,
M.
Qi
,
Y.
Song
,
D.
Jena
,
J.
Kong
,
M.
Dresselhaus
,
T.
Palacios
,
Nano Lett.
17
,
3089
3096
(
2017
).
22.
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
,
R. S.
Ruoff
,
Science
324
,
1312
1314
(
2009
)
23.
K. V.
Emtsev
,
A.
Bostwick
,
K.
Horn
,
J.
Jobst
,
G. L.
Kellogg
,
L.
Ley
,
J. L.
McChesney
,
T.
Ohta
,
S. A.
Reshanov
,
J.
Röhrl
,
E.
Rotenberg
,
A. K.
Schmid
,
D.
Waldmann
,
H. B.
Weber
,
Th.
Seyller
,
Nature Materials
8
,
203
207
(
2009
).
24.
G.
Fisichella
,
S.
Di Franco
,
F.
Roccaforte
,
S.
Ravesi
,
F.
Giannazzo
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
233105
(
2014
).
25.
J.-Y.
Hong
,
Y.C.
Shin
,
A.
Zubair
,
Y.
Mao
,
T.
Palacios
,
M. S.
Dresselhaus
,
S. H.
Kim
,
J.
Kong
,
Adv. Mater.
28
,
2382
2392
(
2016
).
26.
H. H.
Kim
,
S. K.
Lee
,
S. G.
Lee
,
E.
Lee
,
K.
,
Cho
,
Adv. Funct. Mater.
26
,
2070
2077
(
2016
).
27.
G.
Lupina
,
J.
Kitzmann
,
I.
Costina
,
M.
Lukosius
,
C.
Wenger
,
A.
Wolff
,
S.
Vaziri
,
M.
Östling
,
I.
Pasternak
,
A.
Krajewska
, et al,
ACS Nano
9
,
4776
4785
(
2015
).
28.
C.
Vecchio
,
S.
Sonde
,
C.
Bongiorno
,
M.
Rambach
,
R.
Yakimova
,
E.
Rimini
,
V.
Raineri
,
F.
Giannazzo
,
Nanoscale Research Letters
6
,
269
(
2011
).
29.
K. V.
Emtsev
,
F.
Speck
,
Th.
Seyller
,
L.
Ley
,
J. D.
Riley
,
Phys. Rev. B
77
,
155303
(
2008
).
30.
G.
Nicotra
,
I.
Deretzis
,
M.
Scuderi
,
C.
Spinella
,
P.
Longo
,
R.
Yakimova
,
F.
Giannazzo
,
A.
La Magna
,
Phys. Rev. B
91
,
155411
(
2015
).
31.
C.
Bouhafs
,
A. A.
Zakharov
,
I. G.
Ivanov
,
F.
Giannazzo
,
J.
Eriksson
,
V.
Stanishev
,
P.
Kühne
,
T.
Iakimov
,
T.
Hofmann
,
M.
Schubert
, et al,
Carbon
116
,
722
732
(
2017
).
32.
M.
Ostler
,
I.
Deretzis
,
S.
Mammadov
,
F.
Giannazzo
,
G.
Nicotra
,
C.
Spinella
,
Th.
Seyller
,
A.
La Magna
,
Phys. Rev. B
88
,
085408
(
2013
).
33.
F.
Varchon
,
R.
Feng
,
J.
Hass
,
X.
Li
,
B.
Ngoc Nguyen
,
C.
Naud
,
P.
Mallet
,
J.-Y.
Veuillen
,
C.
Berger
,
E. H.
Conrad
,
L.
Magaud
,
Phys. Rev. Lett.
99
,
126805
(
2007
).
34.
S.
Sonde
,
F.
Giannazzo
,
V.
Raineri
,
R.
Yakimova
,
J.-R.
Huntzinger
,
A.
Tiberj
,
J.
Camassel
,
Phys. Rev. B
80
,
241406(R)
(
2009
).
35.
Y.
Zhan
,
Z.
Liu
,
S.
Najmaei
,
P. M.
Ajayan
,
J.
Lou
,
Small
8
,
966
(
2012
).
36.
H.
Qiu
,
T.
Xu
,
Z.
Wang
,
W.
Ren
,
H.
Nan
,
Z.
Ni
,
Q.
Chen
,
S.
Yuan
,
F.
Miao
,
F.
Song
,
G.
Long
,
Y.
Shi
,
L.
Sun
,
J.
Wang
,
X.
Wang
,
Nature Commun.
4
,
2642
(
2013
).
37.
S.
Das
,
H.-Y.
Chen
,
A. V.
Penumatcha
,
J. Appenzeller, Nano Lett.
13
,
100
(
2013
).
38.
S.
Chuang
,
C.
Battaglia
,
A.
Azcatl
,
S.
McDonnell
,
J. S.
Kang
,
X.
Yin
,
M.
Tosun
,
R.
Kapadia
,
H.
Fang
,
R. M.
Wallace
,
A.
Javey
,
MoS2 p-type transistors and diodes enabled by high work function MoOx contacts
,
Nano Lett.
14
,
1337
1342
(
2014
).
39.
F.
Giannazzo
,
G.
Fisichella
,
G.
Greco
,
S.
Di Franco
,
I.
Deretzis
,
A.
La Magna
,
C.
Bongiorno
,
G.
Nicotra
,
C.
Spinella
,
M.
Scopelliti
,
B.
Pignataro
,
S.
Agnello
,
F.
Roccaforte
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
,
23164
(
2017
).
40.
S.
McDonnell
,
R.
Addou
,
C.
Buie
,
R. M.
Wallace
,
C. L.
Hinkle
,
ACS Nano
8
,
2880
2888
(
2014
).
41.
F.
Giannazzo
,
P.
Fiorenza
,
V.
Raineri
, Carrier transport in advanced semiconductor materials,
Applied Scanning Probe Methods
, Vol.
8-10
, edited by
B.
Bhushan
,
H.
Fuchs
and
M.
Tomitori
,
Springer-Verlag
,
Heidelberg
,
2008
.
42.
F.
Giannazzo
,
V.
Raineri
,
E.
Rimini
, Transport properties of graphene with nanoscale lateral resolution,
Scanning Probe Microscopy in Nanoscience and Nanotechnology
2
, edited by
B.
Bhushan
,
Springer-Verlag
Berlin Heidelberg
2011
.
43.
F.
Giannazzo
,
S.
Sonde
,
V.
Raineri
,
E.
Rimini
,
Appl. Phys. Lett.
95
,
263109
(
2009
).
44.
F.
Giannazzo
,
S.
Sonde
,
V.
Raineri
,
E.
Rimini
,
Nano Lett.
9
,
23
(
2009
).
45.
F.
Giannazzo
,
S.
Sonde
,
R.
Lo Nigro
,
E.
Rimini
,
V.
Raineri
,
Nano Lett.
11
,
4612
4618
(
2011
).
46.
S.
Sonde
,
F.
Giannazzo
,
C.
Vecchio
,
R.
Yakimova
,
E.
Rimini
,
V.
Raineri
,
Appl. Phys. Lett.
97
,
132101
(
2010
).
47.
F.
Roccaforte
,
F.
Giannazzo
,
V.
Raineri
,
Journal of Physics D
43
,
223001
(
2010
).
48.
J.
Eriksson
,
R.
Pearce
,
T.
Iakimov
,
C.
Virojanadara
,
D.
Gogova
,
M.
Andersson
,
M.
Syväjärvi
,
A.
Lloyd Spetz
,
R.
Yakimova
,
Appl. Phys. Lett.
100
,
241607
(
2012
)
49.
F.
Giannazzo
,
G.
Fisichella
,
G.
Greco
,
P.
Fiorenza
,
F.
Roccaforte
, in “Conductive Atomic Force Microscopy: Applications in Nanomaterials” (Ed:
M.
Lanza
),
WILEY-VCH Verlag
,
Weinheim
2017
, Ch. 7, pp.
163
186
. ISBN: 978-3-527-34091-0.
50.
G.
Nicotra
,
Q. M.
Ramasse
,
I.
Deretzis
,
A.
La Magna
,
C.
Spinella
,
F.
Giannazzo
,
ACS Nano
7
,
3045
3052
(
2013
).
51.
F.
Giannazzo
,
I.
Deretzis
,
G.
Nicotra
,
G.
Fisichella
,
Q.M.
Ramasse
,
C.
Spinella
,
F.
Roccaforte
,
A.
La Magna
,
Journal of Crystal Growth
393
,
150
155
(
2014
)
52.
F.
Giannazzo
,
I.
Deretzis
,
A.
La Magna
,
F.
Roccaforte
,
R.
Yakimova
,
Phys. Rev. B
86
,
235422
(
2012
).
53.
M.
Nagase
,
H.
Hibino
,
H.
Kageshima
,
H.
Yamaguchi
,
Nanotechnology
20
,
445704
(
2009
).
54.
F.
Giannazzo
,
G.
Fisichella
,
A.
Piazza
,
S.
Agnello
,
F.
Roccaforte
,
Phys. Rev. B
92
,
081307(R
) (
2015
).
55.
R.
Tung
,
Appl. Phys. Rev.
1
,
011304
(
2014
).
56.
H.
Card
and
E. H.
Rhoderick
,
J. Phys. D
4
,
1589
(
1971
).
This content is only available via PDF.