The rapid evolution of devices based on low-dimensional materials such as MoS2 and single-walled carbon nanotubes (SWNTs) has garnered significant interest for high-performance field-effect transistor (FET) applications. We present a multifunctional MoS2/SWNT device exhibiting non-monotonic current modulation with a rectifying ratio of up to 600. The device also demonstrates remarkable optoelectronic memory performance, including fast erasing/writing times (20.1/1.9 ms), a high erasing/writing ratio (104), multilevel data storage, robust retention (10 000 s), and excellent endurance (1000 cycles). Additionally, we demonstrate ternary inverters combining SWNTs FETs with MoS2/SWNTs heterostructure FETs, highlighting their potential in advanced logic applications.

1.
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
669
(
2004
).
2.
L.
Liu
,
J.
Han
,
L.
Xu
,
J.
Zhou
,
C.
Zhao
,
S.
Ding
,
H.
Shi
,
M.
Xiao
,
L.
Ding
,
Z.
Ma
,
C.
Jin
,
Z.
Zhang
, and
L. M.
Peng
,
Science
368
(
6493
),
850
856
(
2020
).
3.
D. M.
Tang
,
S. V.
Erohin
,
D. G.
Kvashnin
,
V. A.
Demin
,
O.
Cretu
,
S.
Jiang
,
L.
Zhang
,
P. X.
Hou
,
G.
Chen
,
D. N.
Futaba
,
Y.
Zheng
,
R.
Xiang
,
X.
Zhou
,
F. C.
Hsia
,
N.
Kawamoto
,
M.
Mitome
,
Y.
Nemoto
,
F.
Uesugi
,
M.
Takeguchi
,
S.
Maruyama
,
H. M.
Cheng
,
Y.
Bando
,
C.
Liu
,
P. B.
Sorokin
, and
D.
Golberg
,
Science
374
(
6575
),
1616
1620
(
2021
).
4.
T.
Liu
,
S.
Liu
,
K. H.
Tu
,
H.
Schmidt
,
L.
Chu
,
D.
Xiang
,
J.
Martin
,
G.
Eda
,
C. A.
Ross
, and
S.
Garaj
,
Nat. Nanotechnol.
14
(
3
),
223
226
(
2019
).
5.
X.
Wang
,
A. M.
Jones
,
K. L.
Seyler
,
V.
Tran
,
Y.
Jia
,
H.
Zhao
,
H.
Wang
,
L.
Yang
,
X.
Xu
, and
F.
Xia
,
Nat. Nanotechnol.
10
(
6
),
517
521
(
2015
);
[PubMed]
J.
Quereda
,
P.
San-Jose
,
V.
Parente
,
L.
Vaquero-Garzon
,
A. J.
Molina-Mendoza
,
N.
Agrait
,
G.
Rubio-Bollinger
,
F.
Guinea
,
R.
Roldan
, and
A.
Castellanos-Gomez
,
Nano Lett.
16
(
5
),
2931
(
2016
).
[PubMed]
6.
S.
Zeng
,
S.
Hu
,
J.
Xia
,
T.
Anderson
,
X.-Q.
Dinh
,
X.-M.
Meng
,
P.
Coquet
, and
K.-T.
Yong
,
Sens. Actuators B
207
,
801
810
(
2015
);
A.
Rendon-Patino
,
A.
Domenech-Carbo
,
A.
Primo
, and
H.
Garcia
,
Nanomaterials
10
(
5
),
839
(
2020
);
[PubMed]
L.
Yu
,
Y. H.
Lee
,
X.
Ling
,
E. J.
Santos
,
Y. C.
Shin
,
Y.
Lin
,
M.
Dubey
,
E.
Kaxiras
,
J.
Kong
,
H.
Wang
, and
T.
Palacios
,
Nano Lett.
14
(
6
),
3055
3063
(
2014
);
[PubMed]
M. R.
Vazirisereshk
,
H.
Ye
,
Z.
Ye
,
A.
Otero-de-la-Roza
,
M. Q.
Zhao
,
Z.
Gao
,
A. T. C.
Johnson
,
E. R.
Johnson
,
R. W.
Carpick
, and
A.
Martini
,
Nano Lett.
19
(
8
),
5496
5505
(
2019
);
[PubMed]
D.
Pierucci
,
H.
Henck
,
J.
Avila
,
A.
Balan
,
C. H.
Naylor
,
G.
Patriarche
,
Y. J.
Dappe
,
M. G.
Silly
,
F.
Sirotti
,
A. T.
Johnson
,
M. C.
Asensio
, and
A.
Ouerghi
,
Nano Lett.
16
(
7
),
4054
4061
(
2016
).
[PubMed]
7.
D.
De Fazio
,
I.
Goykhman
,
D.
Yoon
,
M.
Bruna
,
A.
Eiden
,
S.
Milana
,
U.
Sassi
,
M.
Barbone
,
D.
Dumcenco
,
K.
Marinov
,
A.
Kis
, and
A. C.
Ferrari
,
ACS Nano
10
(
9
),
8252
8262
(
2016
).
8.
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
(
10
),
722
(
2010
);
[PubMed]
B.
Radisavljevic
,
A.
Radenovic
,
J.
Brivio
,
V.
Giacometti
, and
A.
Kis
,
Nat. Nanotechnol.
6
(
3
),
147
(
2011
).
[PubMed]
9.
K. F.
Mak
,
C.
Lee
,
J.
Hone
,
J.
Shan
, and
T. F.
Heinz
,
Phys. Rev. Lett.
105
(
13
),
136805
(
2010
).
10.
J.
Wu
,
H.-Y.
Chen
,
N.
Yang
,
J.
Cao
,
X.
Yan
,
F.
Liu
,
Q.
Sun
,
X.
Ling
,
J.
Guo
, and
H.
Wang
,
Nat. Electron.
3
(
8
),
466
472
(
2020
).
11.
J.
Jin
,
Z.
Wang
,
Z.
Peng
,
H.
Liu
,
K.
Peng
,
H.
Wei
,
Y.
Wang
,
Y.
Xu
,
H.
Wei
,
W.
Chu
,
Y. J.
Li
, and
L.
Sun
,
Adv. Electron. Mater.
8
(
9
),
2200210
(
2022
);
Y.
Zhang
,
Q.
Lv
,
H.
Wang
,
S.
Zhao
,
Q.
Xiong
,
R.
Lv
, and
X.
Zhang
,
Science
378
(
6616
),
169
175
(
2022
).
[PubMed]
12.
W.
Wang
,
J.
Jin
,
Y.
Wang
,
Z.
Wei
,
Y.
Xu
,
Z.
Peng
,
H.
Liu
,
Y.
Wang
,
J.
You
,
J.
Impundu
,
Q.
Zheng
,
Y. J.
Li
, and
L.
Sun
,
Small
19
(
47
),
2304730
(
2023
);
L.
Wu
,
A.
Wang
,
J.
Shi
,
J.
Yan
,
Z.
Zhou
,
C.
Bian
,
J.
Ma
,
R.
Ma
,
H.
Liu
,
J.
Chen
,
Y.
Huang
,
W.
Zhou
,
L.
Bao
,
M.
Ouyang
,
S. J.
Pennycook
,
S. T.
Pantelides
, and
H. J.
Gao
,
Nat. Nanotechnol.
16
(
8
),
882
887
(
2021
);
[PubMed]
L.
Liu
,
C.
Liu
,
L.
Jiang
,
J.
Li
,
Y.
Ding
,
S.
Wang
,
Y. G.
Jiang
,
Y. B.
Sun
,
J.
Wang
,
S.
Chen
,
D. W.
Zhang
, and
P.
Zhou
,
Nat. Nanotechnol.
16
(
8
),
874
881
(
2021
);
[PubMed]
X.
Huang
,
C.
Liu
,
Z.
Tang
,
S.
Zeng
,
S.
Wang
, and
P.
Zhou
,
Nat. Nanotechnol.
18
(
5
),
486
492
(
2023
).
[PubMed]
13.
Q. H.
Wang
,
K.
Kalantar-Zadeh
,
A.
Kis
,
J. N.
Coleman
, and
M. S.
Strano
,
Nat. Nanotechnol.
7
(
11
),
699
(
2012
);
[PubMed]
H.
Li
,
A. W.
Contryman
,
X.
Qian
,
S. M.
Ardakani
,
Y.
Gong
,
X.
Wang
,
J. M.
Weisse
,
C. H.
Lee
,
J.
Zhao
,
P. M.
Ajayan
,
J.
Li
,
H. C.
Manoharan
, and
X.
Zheng
,
Nat. Commun.
6
,
7381
(
2015
);
[PubMed]
D.
Xiang
,
T.
Liu
,
J.
Xu
,
J. Y.
Tan
,
Z.
Hu
,
B.
Lei
,
Y.
Zheng
,
J.
Wu
,
A. H. C.
Neto
,
L.
Liu
, and
W.
Chen
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
2966
(
2018
).
[PubMed]
14.
X.
Xiong
,
J.
Kang
,
Q.
Hu
,
C.
Gu
,
T.
Gao
,
X.
Li
, and
Y.
Wu
,
Adv. Funct. Mater.
30
(
11
),
1909645
(
2020
);
M.
Huang
,
S.
Li
,
Z.
Zhang
,
X.
Xiong
,
X.
Li
, and
Y.
Wu
,
Nat. Nanotechnol.
12
(
12
),
1148
1154
(
2017
).
[PubMed]
15.
J.
Kang
,
D.
Jariwala
,
C. R.
Ryder
,
S. A.
Wells
,
Y.
Choi
,
E.
Hwang
,
J. H.
Cho
,
T. J.
Marks
, and
M. C.
Hersam
,
Nano Lett.
16
(
4
),
2580
2585
(
2016
);
[PubMed]
W. J.
Yu
,
Z.
Li
,
H.
Zhou
,
Y.
Chen
,
Y.
Wang
,
Y.
Huang
, and
X.
Duan
,
Nat. Mater.
12
(
3
),
246
252
(
2013
);
[PubMed]
T.
Georgiou
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
L.
Britnell
,
R. V.
Gorbachev
,
S. V.
Morozov
,
Y. J.
Kim
,
A.
Gholinia
,
S. J.
Haigh
,
O.
Makarovsky
,
L.
Eaves
,
L. A.
Ponomarenko
,
A. K.
Geim
,
K. S.
Novoselov
, and
A.
Mishchenko
,
Nat. Nanotechnol.
8
(
2
),
100
103
(
2013
).
[PubMed]
16.
Z.
Li
,
X.
Huang
,
L.
Xu
,
Z.
Peng
,
X.
Yu
,
W.
Shi
,
X.
He
,
X.
Meng
,
D.
Yang
,
L.
Tong
,
X.
Miao
, and
L.
Ye
,
Nano Lett.
23
(
24
),
11710
11718
(
2023
).
17.
Z.
Yin
,
H.
Li
,
H.
Li
,
L.
Jiang
,
Y.
Shi
,
Y.
Sun
,
G.
Lu
,
Q.
Zhang
,
X.
Chen
, and
H.
Zhang
,
ACS Nano
6
(
1
),
74
80
(
2012
).
18.
Z.
Zhu
,
N.
Wei
,
W.
Cheng
,
B.
Shen
,
S.
Sun
,
J.
Gao
,
Q.
Wen
,
R.
Zhang
,
J.
Xu
,
Y.
Wang
, and
F.
Wei
,
Nat. Commun.
10
(
1
),
4467
(
2019
);
[PubMed]
C.
Liu
,
Y.
Cao
,
B.
Wang
,
Z.
Zhang
,
Y.
Lin
,
L.
Xu
,
Y.
Yang
,
C.
Jin
,
L. M.
Peng
, and
Z.
Zhang
,
ACS Nano
16
(
12
),
21482
21490
(
2022
);
[PubMed]
Y.
Yang
,
L.
Ding
,
J.
Han
,
Z.
Zhang
, and
L. M.
Peng
,
ACS Nano
11
(
4
),
4124
4132
(
2017
).
[PubMed]
19.
G.
Lu
,
Y.
Wei
,
X.
Li
,
G.
Zhang
,
G.
Wang
,
L.
Liang
,
Q.
Li
,
S.
Fan
, and
Y.
Zhang
,
Nano Lett.
21
(
16
),
6843
6850
(
2021
).
20.
R. S.
Park
,
M. M.
Shulaker
,
G.
Hills
,
L.
Suriyasena Liyanage
,
S.
Lee
,
A.
Tang
,
S.
Mitra
, and
H. S.
Wong
,
ACS Nano
10
(
4
),
4599
4608
(
2016
);
[PubMed]
X.
Ma
,
L.
Adamska
,
H.
Yamaguchi
,
S. E.
Yalcin
,
S.
Tretiak
,
S. K.
Doorn
, and
H.
Htoon
,
ACS Nano
8
(
10
),
10782
10789
(
2014
).
[PubMed]
21.
Q.
Liu
,
B.
Cook
,
M.
Gong
,
Y.
Gong
,
D.
Ewing
,
M.
Casper
,
A.
Stramel
, and
J.
Wu
,
ACS Appl. Mater. Interfaces
9
(
14
),
12728
12733
(
2017
);
[PubMed]
S. S.
Han
,
T. J.
Ko
,
C.
Yoo
,
M. S.
Shawkat
,
H.
Li
,
B. K.
Kim
,
W. K.
Hong
,
T. S.
Bae
,
H. S.
Chung
,
K. H.
Oh
, and
Y.
Jung
,
Nano Lett.
20
(
5
),
3925
3934
(
2020
).
[PubMed]
22.
K.
Roy
,
M.
Padmanabhan
,
S.
Goswami
,
T. P.
Sai
,
G.
Ramalingam
,
S.
Raghavan
, and
A.
Ghosh
,
Nat. Nanotechnol.
8
(
11
),
826
830
(
2013
).
23.
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
(
36
),
6255
6261
(
2014
).
24.
A.
Castellanos-Gomez
,
M.
Buscema
,
R.
Molenaar
,
V.
Singh
,
L.
Janssen
,
H. S. J.
van der Zant
, and
G. A.
Steele
,
2D Mater.
1
(
1
),
011002
(
2014
);
K.
Kim
,
M.
Yankowitz
,
B.
Fallahazad
,
S.
Kang
,
H. C.
Movva
,
S.
Huang
,
S.
Larentis
,
C. M.
Corbet
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
S. K.
Banerjee
,
B. J.
LeRoy
, and
E.
Tutuc
,
Nano Lett.
16
(
3
),
1989
1995
(
2016
).
[PubMed]
25.
D. G.
Purdie
,
N. M.
Pugno
,
T.
Taniguchi
,
K.
Watanabe
,
A. C.
Ferrari
, and
A.
Lombardo
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
5387
(
2018
).
26.
K.
Suenaga
,
H.
Wakabayashi
,
M.
Koshino
,
Y.
Sato
,
K.
Urita
, and
S.
Iijima
,
Nat. Nanotechnol.
2
(
6
),
358
360
(
2007
).
27.
X.
Cui
,
G. H.
Lee
,
Y. D.
Kim
,
G.
Arefe
,
P. Y.
Huang
,
C. H.
Lee
,
D. A.
Chenet
,
X.
Zhang
,
L.
Wang
,
F.
Ye
,
F.
Pizzocchero
,
B. S.
Jessen
,
K.
Watanabe
,
T.
Taniguchi
,
D. A.
Muller
,
T.
Low
,
P.
Kim
, and
J.
Hone
,
Nat. Nanotechnol
10
(
6
),
534
540
(
2015
).
28.
M.
Bockrath
,
D. H.
Cobden
,
J.
Lu
,
A. G.
Rinzler
,
R. E.
Smalley
,
L.
Balents
, and
P. L.
McEuen
,
Nature
397
(
6720
),
598
601
(
1999
);
M.
Li
,
W.
Wang
,
Y.
Wu
,
Z.
Wei
,
J.
You
,
Y.
Li
,
L.
Sun
, and
T.
He
,
Synth. Met.
309
,
117782
(
2024
).
29.
S.
Das
,
H. Y.
Chen
,
A. V.
Penumatcha
, and
J.
Appenzeller
,
Nano Lett.
13
(
1
),
100
105
(
2013
).
30.
A. D.
Franklin
,
M. C.
Hersam
, and
H. P.
Wong
,
Science
378
(
6621
),
726
732
(
2022
).
31.
J.
Yin
,
Z.
Tan
,
H.
Hong
,
J.
Wu
,
H.
Yuan
,
Y.
Liu
,
C.
Chen
,
C.
Tan
,
F.
Yao
,
T.
Li
,
Y.
Chen
,
Z.
Liu
,
K.
Liu
, and
H.
Peng
,
Nat. Commun.
9
(
1
),
3311
(
2018
);
[PubMed]
L.
Britnell
,
R. M.
Ribeiro
,
A.
Eckmann
,
R.
Jalil
,
B. D.
Belle
,
A.
Mishchenko
,
Y. J.
Kim
,
R. V.
Gorbachev
,
T.
Georgiou
,
S. V.
Morozov
,
A. N.
Grigorenko
,
A. K.
Geim
,
C.
Casiraghi
,
A. H.
Castro Neto
, and
K. S.
Novoselov
,
Science
340
(
6138
),
1311
1314
(
2013
).
[PubMed]
32.
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
(
1
),
14734
(
2017
).
33.
Q.
Qian
,
G.
Li
,
Y.
Jin
,
J.
Liu
,
Y.
Zou
,
K.
Jiang
,
S.
Fan
, and
Q.
Li
,
ACS Nano
8
(
9
),
9597
9605
(
2014
);
[PubMed]
W.
Kim
,
A.
Javey
,
O.
Vermesh
,
Q.
Wang
,
Y.
Li
, and
H.
Dai
,
Nano Lett.
3
(
2
),
193
198
(
2003
).
34.
Z.
Yang
,
H.
Hong
,
F.
Liu
,
Y.
Liu
,
M.
Su
,
H.
Huang
,
K.
Liu
,
X.
Liang
,
W. J.
Yu
,
Q. A.
Vu
,
X.
Liu
, and
L.
Liao
,
Small
15
(
3
),
1804661
(
2019
).
35.
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
(
9
),
682
686
(
2014
);
[PubMed]
J.
Zhang
,
H.
Hong
,
J.
Zhang
,
H.
Fu
,
P.
You
,
J.
Lischner
,
K.
Liu
,
E.
Kaxiras
, and
S.
Meng
,
Nano Lett.
18
(
9
),
6057
6063
(
2018
).
[PubMed]
36.
Y.
Liu
,
H.
Wu
,
H.-C.
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
3034
(
2015
).
You do not currently have access to this content.