Transition metal dichalcogenides (TMDCs) are emerging two-dimensional materials for their potential in next-generation electronics. One of the big challenges is to realize a large single-crystal TMDCs film with high mobility, which is critical for channel materials. Herein, we report an optimized atmospheric pressure chemical vapor deposition method for growing large single-crystal monolayer MoS2 on molten glass substrate with domain size up to 563 μm. Better interface quality can be achieved using high-κ dielectrics with respect to the conventional thermal SiO2. Mobility up to 24 cm2 V−1 s−1 at room temperature and 84 cm2 V−1 s−1 at 20 K can be obtained. This low-cost growth of high-quality, large single-crystal size of two dimensional materials provides a pathway for high-performance two dimensional electronic devices.

1.
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
,
147
(
2011
).
2.
M.
Huang
,
S.
Li
,
Z.
Zhang
,
X.
Xiong
,
X.
Li
, and
Y.
Wu
,
Nat. Nanotechnol.
12
,
1148
(
2017
).
3.
X.
Li
,
L.
Yang
,
M.
Si
,
S.
Li
,
M.
Huang
,
P.
Ye
, and
Y.
Wu
,
Adv. Mater.
27
(
9
),
1547
(
2015
).
4.
X.
Li
,
X.
Xiong
,
T.
Li
,
S.
Li
,
Z.
Zhang
, and
Y.
Wu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
(
51
),
44602
(
2017
).
5.
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
(
5696
),
666
(
2004
).
6.
Y.
Wu
,
Y.
Lin
,
A. A.
Bol
,
K. A.
Jenkins
,
F.
Xia
,
D. B.
Farmer
,
Y.
Zhu
, and
P.
Avouris
,
Nature
472
,
74
(
2011
).
7.
Q.
Gao
,
X.
Li
,
M.
Tian
,
X.
Xiong
,
Z.
Zhang
, and
Y.
Wu
,
IEEE Electron Device Lett.
38
(
8
),
1168
(
2017
).
8.
L.
Li
,
Y.
Yu
,
G. J.
Ye
,
Q.
Ge
,
X.
Ou
,
H.
Wu
,
D.
Feng
,
X.
Chen
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Nanotechnol.
9
,
372
(
2014
).
9.
H.
Liu
,
A. T.
Neal
,
Z.
Zhu
,
Z.
Luo
,
X.
Xu
,
D.
Tománek
, and
P. D.
Ye
,
ACS Nano
8
(
4
),
4033
(
2014
).
10.
F.
Xia
,
H.
Wang
, and
Y.
Jia
,
Nat. Commun.
5
,
4458
(
2014
).
11.
D.
Sarkar
,
X.
Xie
,
W.
Liu
,
W.
Cao
,
J.
Kang
,
Y.
Gong
,
S.
Kraemer
,
P. M.
Ajayan
, and
K.
Banerjee
,
Nature
526
,
91
(
2015
).
12.
S. B.
Desai
,
S. R.
Madhvapathy
,
A. B.
Sachid
,
J. P.
Llinas
,
Q.
Wang
,
G. H.
Ahn
,
G.
Pitner
,
M. J.
Kim
,
J.
Bokor
,
C.
Hu
,
H. S. P.
Wong
, and
A.
Javey
,
Science
354
(
6308
),
99
(
2016
).
13.
D.
Akinwande
,
N.
Petrone
, and
J.
Hone
,
Nat. Commun.
5
,
5678
(
2014
).
14.
D.
Dumcenco
,
D.
Ovchinnikov
,
K.
Marinov
,
P.
Lazić
,
M.
Gibertini
,
N.
Marzari
,
O. L.
Sanchez
,
Y.
Kung
,
D.
Krasnozhon
,
M.
Chen
,
S.
Bertolazzi
,
P.
Gillet
,
A. F. i
Morral
,
A.
Radenovic
, and
A.
Kis
,
ACS Nano
9
(
4
),
4611
(
2015
).
15.
K.
Kang
,
S.
Xie
,
L.
Huang
,
Y.
Han
,
P. Y.
Huang
,
K. F.
Mak
,
C.
Kim
,
D.
Muller
, and
J.
Park
,
Nature
520
,
656
(
2015
).
16.
J.
Lee
,
S.
Pak
,
P.
Giraud
,
Y.
Lee
,
Y.
Cho
,
J.
Hong
,
A.
Jang
,
H.
Chung
,
W.
Hong
,
H. Y.
Jeong
,
H. S.
Shin
,
L. G.
Occhipinti
,
S. M.
Morris
,
S.
Cha
,
J. I.
Sohn
, and
J. M.
Kim
,
Adv. Mater.
29
(
33
),
1702206
(
2017
).
17.
Y.
Lee
,
X.
Zhang
,
W.
Zhang
,
M.
Chang
,
C.
Lin
,
K.
Chang
,
Y.
Yu
,
J. T.
Wang
,
C.
Chang
,
L.
Li
, and
T.
Lin
,
Adv. Mater.
24
(
17
),
2320
(
2012
).
18.
L.
Sun
,
W. S.
Leong
,
S.
Yang
,
M. F.
Chisholm
,
S.
Liang
,
L. K.
Ang
,
Y.
Tang
,
Y.
Mao
,
J.
Kong
, and
H. Y.
Yang
,
Adv. Funct. Mater.
27
(
15
),
1605896
(
2017
).
19.
J.
Zhang
,
H.
Yu
,
W.
Chen
,
X.
Tian
,
D.
Liu
,
M.
Cheng
,
G.
Xie
,
W.
Yang
,
R.
Yang
,
X.
Bai
,
D.
Shi
, and
G.
Zhang
,
ACS Nano
8
(
6
),
6024
(
2014
).
20.
W.
Chen
,
J.
Zhao
,
J.
Zhang
,
L.
Gu
,
Z.
Yang
,
X.
Li
,
H.
Yu
,
X.
Zhu
,
R.
Yang
,
D.
Shi
,
X.
Lin
,
J.
Guo
,
X.
Bai
, and
G.
Zhang
,
J. Am. Chem. Soc.
137
(
50
),
15632
(
2015
).
21.
J.
Chen
,
X.
Zhao
,
S. J. R.
Tan
,
H.
Xu
,
B.
Wu
,
B.
Liu
,
D.
Fu
,
W.
Fu
,
D.
Geng
,
Y.
Liu
,
W.
Liu
,
W.
Tang
,
L.
Li
,
W.
Zhou
,
T. C.
Sum
, and
K. P.
Loh
,
J. Am. Chem. Soc.
139
(
3
),
1073
(
2017
).
22.
P.
Yang
,
X.
Zou
,
Z.
Zhang
,
M.
Hong
,
J.
Shi
,
S.
Chen
,
J.
Shu
,
L.
Zhao
,
S.
Jiang
,
X. J.
Zhou
,
Y.
Huan
,
C.
Xie
,
P.
Gao
,
Q.
Chen
,
Q.
Zhang
,
Z.
Liu
, and
Y.
Zhang
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
979
(
2018
).
23.
M.
Ju
,
X.
Liang
,
J.
Liu
,
L.
Zhou
,
Z.
Liu
,
R. G.
Mendes
,
M. H.
Rümmeli
, and
L.
Fu
,
Chem. Mater.
29
(
14
),
6095
(
2017
).
24.
S.
Wang
,
Y.
Rong
,
Y.
Fan
,
M.
Pacios
,
H.
Bhaskaran
,
K.
He
, and
J. H.
Warner
,
Chem. Mater.
26
(
22
),
6371
(
2014
).
25.
X.
Yang
,
Q.
Li
,
G.
Hu
,
Z.
Wang
,
Z.
Yang
,
X.
Liu
,
M.
Dong
, and
C.
Pan
,
Sci. China Mater.
59
(
3
),
182
(
2016
).
26.
A.
Splendiani
,
L.
Sun
,
Y.
Zhang
,
T.
Li
,
J. M.
Kim
,
C.
Chim
,
G.
Galli
, and
F.
Wang
,
Nano Lett.
10
(
4
),
1271
(
2010
).
27.
Z.
Liu
,
M.
Amani
,
S.
Najmaei
,
Q.
Xu
,
X.
Zou
,
W.
Zhou
,
T.
Yu
,
C.
Qiu
,
A. G.
Birdwell
,
F. J.
Crowne
,
R.
Vajtai
,
B. I.
Yakobson
,
Z.
Xia
,
M.
Dubey
,
P. M.
Ajayan
, and
J.
Lou
,
Nat. Commun.
5
,
5246
(
2014
).
28.
X.
Xiong
,
X.
Li
,
M.
Huang
,
T.
Li
,
T.
Gao
, and
Y.
Wu
,
IEEE Electron Device Lett.
39
(
1
),
127
(
2018
).
29.
T.
Li
,
Z.
Zhang
,
X.
Li
,
M.
Huang
,
S.
Li
,
S.
Li
, and
Y.
Wu
,
Appl. Phys. Lett.
110
(
16
),
163507
(
2017
).
30.
X.
Cui
,
G.
Lee
,
Y.
Kim
,
G.
Arefe
,
Y. P.
Huang
,
C.
Lee
,
A. D.
Chenet
,
X.
Zhang
,
L.
Wang
,
F.
Ye
,
F.
Pizzocchero
,
B.
Jessen
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
A. D.
Muller
,
T.
Low
,
P.
Kim
, and
J.
Hone
,
Nat. Nanotechnol.
10
,
534
(
2015
).
31.
K.
Kaasbjerg
,
K. S.
Thygesen
, and
K. W.
Jacobsen
,
Phys. Rev. B
85
(
11
),
115317
(
2012
).
32.
Z.
Yu
,
Z.
Ong
,
Y.
Pan
,
Y.
Cui
,
R.
Xin
,
Y.
Shi
,
B.
Wang
,
Y.
Zhang
,
G.
Zhang
, and
X.
Wang
,
Adv. Mater.
28
,
546
(
2016
).
33.
Z.
Yu
,
Y.
Pan
,
Y.
Shen
,
Z.
Wang
,
Z.
Ong
,
T.
Xu
,
R.
Xin
,
L. J.
Pan
,
B.
Wang
,
L.
Sun
,
J.
Wang
,
G.
Zhang
,
Y.
Zhang
,
Y.
Shi
, and
X.
Wang
,
Nat. Commun.
5
,
5290
(
2014
).
34.
Y.
Liu
,
H.
Wu
,
H.
Cheng
,
S.
Yang
,
E.
Zhu
,
Q.
He
,
M.
Ding
,
D.
Li
,
J.
Guo
,
N. O.
Weiss
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nano Lett.
15
(
5
),
3030
(
2015
).
35.
B.
Radisavljevic
and
A.
Kis
,
Nat. Mater.
12
,
815
(
2013
).
You do not currently have access to this content.