Light-emitting diodes enabled by two-dimensional semiconductors: Architectures, optimization, and functional advances

Abstract

Two-dimensional (2D) semiconductors offer unique advantages for light-emitting diodes (LEDs) due to their atomic-scale thickness, strong excitonic effects, tunable band structures, and compatibility with Van Der Waals heterostructures. These properties enable fine control over carrier injection, exciton recombination, and light–matter interactions, facilitating functionalities not easily achieved in bulk semiconductors. This review provides a comprehensive overview of 2D material-based LEDs, with emphasis on device architectures, performance modulation, and emerging applications. Key configurations, such as p–n junctions, Schottky contacts, and quantum well heterostructures, are examined in terms of charge transport and emission behavior. Strategies to tailor emission properties are discussed, focusing on band structure engineering, interface optimization, and photonic field control. Additionally, unique electroluminescence phenomena arising from spin–valley coupling, in-plane anisotropy, and multi-exciton dynamics are highlighted, enabling polarized, valley-resolved, and dynamically tunable emission. These capabilities open up opportunities for integration into quantum light sources, neuromorphic vision, and reconfigurable photonic platforms. To advance toward practical applications, improvements are needed in spectral tunability, light-extraction efficiency, and scalable fabrication. Continued progress in materials synthesis, device engineering, and photonic integration is expected to accelerate the development of high-performance, application-oriented 2D optoelectronic systems.

Keywords

device architecture / excitonic electroluminescence / functional optoelectronics / light-emitting diodes / two-dimensional semiconductors

References

[1] E. F. Schubert, J. K. Kim, Science 2005, 308, 1274.

[2] S. Pimputkar, J. S. Speck, S. P. DenBaars, S. Nakamura, Nat. Photonics 2004, 5187, 227.

[3] M. Meneghini, A. Tazzoli, R. Butendeich, B. Hahn, G. Meneghesso, E. Zanoni, IEEE Electron Device Lett. 2010, 31, 579.

[4] Q. H. Wang, K. Kalantar-Zadeh, A. Kis, J. N. Coleman, M. S. Strano, Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 699.

[5] K. F. Mak, J. Shan, Nat. Photonics 2016, 10, 216.

[6] F. Xia, H. Wang, Y. Jia, Nat. Commun. 2014, 5, 1.

[7] G. Wang, A. Chernikov, M. M. Glazov, T. F. Heinz, X. Marie, T. Amand, B. Urbaszek, Rev. Mod. Phys. 2018, 90, 021001.

[8] P. Rivera, H. Yu, K. L. Seyler, N. P. Wilson, W. Yao, X. Xu, Nat. Nanotechnol. 2018, 13, 1004.

[9] X. Xu, W. Yao, D. Xiao, T. F. Heinz, Nat. Phys. 2014, 10, 343.

[10] T. Ahmed, J. Zha, K. K. Lin, H. Kuo, C. Tan, D. Lien, Adv. Mater. 2023, 35, 2208054.

[11] X. Wang, A. M. Jones, K. L. Seyler, V. Tran, Y. Jia, H. Zhao, H. Wang, L. Yang, X. Xu, F. Xia, Nat. Nanotechnol. 2015, 10, 517.

[12] J. Qiao, X. Kong, Z.-X. Hu, F. Yang, W. Ji, Nat. Commun. 2014, 5, 1.

[13] X. Mu, J. Wang, M. Sun, Mater. Today Phys. 2019, 8, 92.

[14] A. S. Rodin, A. Carvalho, A. H. Castro Neto, Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 176801.

[15] J. R. Schaibley, H. Yu, G. Clark, P. Rivera, J. S. Ross, K. L. Seyler, W. Yao, X. Xu, Nat. Rev. Mater. 2016, 1, 16055.

[16] Y. Zhou, G. Scuri, D. S. Wild, A. A. High, A. Dibos, L. A. Jauregui, C. Shu, K. De Greve, K. Pistunova, A. Y. Joe, T. Taniguchi, K. Watanabe, P. Kim, M. D. Lukin, H. Park, Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 856.

[17] J. S. Ross, P. Klement, A. M. Jones, N. J. Ghimire, J. Yan, D. G. Mandrus, T. Taniguchi, K. Watanabe, K. Kitamura, W. Yao, D. H. Cobden, X. Xu, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 268.

[18] R. Cheng, D. Li, H. Zhou, C. Wang, A. Yin, S. Jiang, Y. Liu, Y. Chen, Y. Huang, X. Duan, Nano Lett. 2014, 14, 5590.

[19] J. Pu, T. Fujimoto, Y. Ohasi, S. Kimura, C. Chen, L. Li, T. Sakanoue, T. Takenobu, Adv. Mater. 2017, 29, 1606918.

[20] H. Ou, H. Matsuoka, J. Tempia, T. Yamada, T. Takahashi, K. Oi, Y. Takaguchi, T. Endo, Y. Miyata, C.-H. Chen, L.-J. Li, J. Pu, T. Takenobu, ACS Nano 2021, 15, 12911.

[21] R. S. Sundaram, M. Engel, A. Lombardo, R. Krupke, A. C.  Ferrari, Ph. Avouris, M. Steiner, Nano Lett. 2013, 13, 1416.

[22] 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, P. Kim, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 676.

[23] K. Nishiguchi, A. Castellanos-Gomez, H. Yamaguchi, A. Fujiwara, H. S. J. Van Der Zant, G. A. Steele, Appl. Phys. Lett. 2015, 107, 053101.

[24] W. Li, L. Liu, Q. Tao, Y. Chen, Z. Lu, L. Kong, W. Dang, W. Zhang, Z. Li, Q. Li, J. Tang, L. Ren, W. Song, X. Duan, C. Ma, Y. Xiang, L. Liao, Y. Liu, Nano Lett. 2022, 22, 4429.

[25] K. Murali, M. Dandu, K. Watanabe, T. Taniguchi, K. Majumdar, Adv. Funct. Mater. 2021, 31, 2010513.

[26] S. Wang, J. Wang, W. Zhao, F. Giustiniano, L. Chu, I. Verzhbitskiy, J. Zhou Yong, G. Eda, Nano Lett. 2017, 17, 5156.

[27] Y. Zhu, Z. Li, L. Zhang, B. Wang, Z. Luo, J. Long, J. Yang, L. Fu, Y. Lu, ACS Appl. Mater. Interfaces 2018, 10, 43291.

[28] D. Li, R. Cheng, H. Zhou, C. Wang, A. Yin, Y. Chen, N. O. Weiss, Y. Huang, X. Duan, Nat. Commun. 2015, 6, 7509.

[29] K. Kasahara, S. Yamada, K. Sawano, M. Miyao, K. Hamaya, Phys. Rev. B 2011, 84, 205301.

[30] 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, K. S. Novoselov, Nat. Mater. 2015, 14, 301.

[31] S. Yamakoshi, T. Sanada, O. Wada, I. Umebu, T. Sakurai, Appl. Phys. Lett. 1982, 40, 144.

[32] C.-H. Liu, G. Clark, T. Fryett, S. Wu, J. Zheng, F. Hatami, X. Xu, A. Majumdar, Nano Lett. 2016, 17, 200.

[33] J. Gu, B. Chakraborty, M. Khatoniar, V. M. Menon, Nat. Nanotechnol. 2019, 14, 1024.

[34] J. Binder, J. Howarth, F. Withers, M. R. Molas, T. Taniguchi, K. Watanabe, C. Faugeras, A. Wysmolek, M. Danovich, V. I. Fal'ko, A. K. Geim, K. S. Novoselov, M. Potemski, A. Kozikov, Nat. Commun. 2019, 10, 2335.

[35] Z. He, Y. Liu, Z. Yang, J. Li, J. Cui, D. Chen, Z. Fang, H. He, Z. Ye, H. Zhu, N. Wang, J. Wang, Y. Jin, ACS Photonics 2019, 6, 587.

[36] F. Withers, O. Del Pozo-Zamudio, S. Schwarz, S. Dufferwiel, P. M. Walker, T. Godde, A. P. Rooney, A. Gholinia, C. R. Woods, P. Blake, S. J. Haigh, K. Watanabe, T. Taniguchi, I. L. Aleiner, A. K. Geim, V. I. Fal'ko, A. I. Tartakovskii, K. S. Novoselov, Nano Lett. 2015, 15, 8223.

[37] L. Hou, Q. Zhang, V. Shautsova, J. H. Warner, ACS Nano 2020, 14, 15533.

[38] K. He, N. Kumar, L. Zhao, Z. Wang, K. F. Mak, H. Zhao, J. Shan, Phys. Rev. Lett. 2014, 113, 026803.

[39] X.-X. Zhang, Y. You, S. Y. F. Zhao, T. F. Heinz, Phys. Rev. Lett. 2015, 115, 257403.

[40] Y. Sheng, T. Chen, Y. Lu, R.-J. Chang, S. Sinha, J. H. Warner, ACS Nano 2019, 13, 4530.

[41] A. Chaves, J. G. Azadani, H. Alsalman, D. R. Da Costa, R. Frisenda, A. J. Chaves, S. H. Song, Y. D. Kim, D. He, J. Zhou, A. Castellanos-Gomez, F. M. Peeters, Z. Liu, C. L. Hinkle, S.-H. Oh, P. D. Ye, S. J. Koester, Y. H. Lee, Ph. Avouris, X. Wang, T. Low, npj 2D Mater. Appl. 2020, 4, 29.

[42] W.-X. Yang, H.-L. Zhou, D. Su, Z.-R. Yang, Y.-J. Song, X.-Y. Zhang, T. Zhang, J. Mater. Chem. C 2022, 10, 7352.

[43] P. Chen, T. Ahmed, C. Kuo, C. Lu, D. Lien, C. Liu, Small Methods 2024, 2024, 2401550.

[44] X. Zhu, Z. Cai, Q. Wu, J. Wu, S. Liu, X. Chen, Q. Zhao, Laser Photonics Rev. 2024, 19, 2400703.

[45] T.-Y. Chang, Y. Chen, D.-I. Luo, J.-X. Li, P.-L. Chen, S. Lee, Z. Fang, W.-Q. Li, Y.-Y. Zhang, M. Li, A. Majumdar, C.-H. Liu, Nano Lett. 2020, 20, 6824.

[46] D. Andrzejewski, R. Oliver, Y. Beckmann, A. Grundmann, M. Heuken, H. Kalisch, A. Vescan, T. Kümmell, G. Bacher, Adv. Opt. Mater. 2020, 8, 2000694.

[47] Y. Ye, Z. Ye, M. Gharghi, H. Zhu, M. Zhao, Y. Wang, X. Yin, X. Zhang, Appl. Phys. Lett. 2014, 104, 193508.

[48] S. Wang, Q. Fu, T. Zheng, X. Han, H. Wang, T. Zhou, J. Liu, T. Liu, Y. Zhang, K. Chen, Q. Wang, Z. Duan, X. Zhou, K. Watanabe, T. Taniguchi, J. Yan, Y. Huang, Y. Xiong, J. K. W. Yang, Z. Hu, T. Xu, L. Sun, J. Hong, Y. Zheng, Y. You, Q. Zhang, J. Lu, Z. Ni, Nat. Electron. 2024, 8, 56.

[49] Z. Li, X.-Y. Zhang, R. Ma, T. Fu, Y. Zeng, C. Hu, Y. Cheng, C. Wang, Y. Wang, Y. Feng, T. Taniguchi, K. Watanabe, T. Wang, X. Liu, H. Xu, Light: Sci. Appl. 2023, 12, 295.

[50] K. F. Mak, K. He, C. Lee, G. H. Lee, J. Hone, T. F. Heinz, J. Shan, Nat. Mater. 2012, 12, 207.

[51] G. Soavi, S. Dal Conte, C. Manzoni, D. Viola, A. Narita, Y. Hu, X. Feng, U. Hohenester, E. Molinari, D. Prezzi, K. Müllen, G. Cerullo, Nat. Commun. 2016, 7, 11010.

[52] N. Wada, J. Pu, Y. Takaguchi, W. Zhang, Z. Liu, T. Endo, T. Irisawa, K. Matsuda, Y. Miyauchi, T. Takenobu, Y. Miyata, Adv. Funct. Mater. 2022, 32, 2203602.

[53] N. Gupta, H. Kim, N. S. Azar, S. Z. Uddin, D.-H. Lien, K. B. Crozier, A. Javey, Nano Lett. 2022, 22, 1294.

[54] S. Das, H.-Y. Chen, A. V. Penumatcha, J. Appenzeller, Nano Lett. 2012, 13, 100.

[55] H. Liu, A. T. Neal, P. D. Ye, ACS Nano 2012, 6, 8563.

[56] H. Liu, M. Si, S. Najmaei, A. T. Neal, Y. Du, P. M. Ajayan, J. Lou, P. D. Ye, Nano Lett. 2013, 13, 2640.

[57] A. Allain, J. Kang, K. Banerjee, A. Kis, Nat. Mater. 2015, 14, 1195.

[58] C. Kim, I. Moon, D. Lee, M. S. Choi, F. Ahmed, S. Nam, Y. Cho, H.-J. Shin, S. Park, W. J. Yoo, ACS Nano 2017, 11, 1588.

[59] Q. Wang, Y. Shao, P. Gong, X. Shi, J. Mater. Chem. C 2020, 8, 3113.

[60] W. Jie, Z. Yang, G. Bai, J. Hao, Adv. Opt. Mater. 2018, 6, 1701296.

[61] K. S. Novoselov, A. Mishchenko, A. Carvalho, A. H. Castro Neto, Science 2016, 353, aac9439.

[62] X. Hong, J. Kim, S.-F. Shi, Y. Zhang, C. Jin, Y. Sun, S. Tongay, J. Wu, Y. Zhang, F. Wang, Nat. Nanotechnol. 2014, 9, 682.

[63] H. Zhu, J. Wang, Z. Gong, Y. D. Kim, J. Hone, X.-Y. Zhu, Nano Lett. 2017, 17, 3591.

[64] R. D. Nikam, P. A. Sonawane, R. Sankar, Y.-T. Chen, Nano Energy 2017, 32, 454.

[65] C. Weisbuch, J. G. Rarity, Microcavities and Photonic Bandgaps: Physics and Applications1996, pp. 1–10.

[66] X. Liu, T. Galfsky, Z. Sun, F. Xia, E. Lin, Y.-H. Lee, S. Kéna-Cohen, V. M. Menon, Nat. Photonics 2014, 9, 30.

[67] N. Zorn Morales, D. S. Rühl, S. Sadofev, G. Ligorio, E. List-Kratochvil, G. Kewes, S. Blumstengel, Phys. Rev. B 2023, 108, 165426.

[68] Y.-Q. Bie, G. Grosso, M. Heuck, M. M. Furchi, Y. Cao, J. Zheng, D. Bunandar, E. Navarro-Moratalla, L. Zhou, D. K. Efetov, T. Taniguchi, K. Watanabe, J. Kong, D. Englund, P. Jarillo-Herrero, Nat. Nanotechnol. 2017, 12, 1124.

[69] S. Wu, S. Buckley, A. M. Jones, J. S. Ross, N. J. Ghimire, J. Yan, D. G. Mandrus, W. Yao, F. Hatami, J. Vučković, A. Majumdar, X. Xu, 2D Mater. 2014, 1, 011001.

[70] X. Gan, Y. Gao, K. Fai Mak, X. Yao, R.-J. Shiue, A. Van Der Zande, M. E. Trusheim, F. Hatami, T. F. Heinz, J. Hone, D. Englund, Appl. Phys. Lett. 2013, 103, 181119.

[71] L. Wu, Nat. Rev. Phys. 2023, 5, 634.

[72] K. F. Mak, K. He, J. Shan, T. F. Heinz, Nat. Nanotechnol. 2012, 7, 494.

[73] D. Lagarde, L. Bouet, X. Marie, C. R. Zhu, B. L. Liu, T. Amand, P. H. Tan, B. Urbaszek, Phys. Rev. Lett. 2014, 112, 047401.

[74] D. Xiao, G.-B. Liu, W. Feng, X. Xu, W. Yao, Phys. Rev. Lett. 2012, 108, 196802.

[75] Y. Ye, J. Xiao, H. Wang, Z. Ye, H. Zhu, M. Zhao, Y. Wang, J. Zhao, X. Yin, X. Zhang, Nat. Nanotechnol. 2016, 11, 598.

[76] O. L. Sanchez, D. Ovchinnikov, S. Misra, A. Allain, A. Kis, Nano Lett. 2016, 16, 5792.

[77] Y. J. Zhang, T. Oka, R. Suzuki, J. T. Ye, Y. Iwasa, Science 2014, 344, 725.

[78] J. Pu, W. Zhang, H. Matsuoka, Y. Kobayashi, Y. Takaguchi, Y. Miyata, K. Matsuda, Y. Miyauchi, T. Takenobu, Adv. Mater. 2021, 33, 2100601.

[79] J. Dang, T. Wu, S. Yan, K. Watanabe, T. Taniguchi, H. Lei, X.-X. Zhang, Nat. Commun. 2024, 15, 6799.

[80] M. Onga, Y. Zhang, R. Suzuki, Y. Iwasa, Appl. Phys. Lett. 2016, 108, 073107.

[81] W. Yang, J. Shang, J. Wang, X. Shen, B. Cao, N. Peimyoo, C. Zou, Y. Chen, Y. Wang, C. Cong, W. Huang, T. Yu, Nano Lett. 2016, 16, 1560.

[82] X. Cui, E.-M. Shih, L. A. Jauregui, S. H. Chae, Y. D. Kim, B. Li, D. Seo, K. Pistunova, J. Yin, J.-H. Park, H.-J. Choi, Y. H. Lee, K. Watanabe, T. Taniguchi, P. Kim, C. R. Dean, J. C. Hone, Nano Lett. 2017, 17, 4781.

[83] D.-H. Lien, M. Amani, S. B. Desai, G. H. Ahn, K. Han, J.-H. He, J. W. Ager, M. C. Wu, A. Javey, Nat. Commun. 2018, 9, 1229.

[84] J. Feng, Y. Li, J. Zhang, Y. Tang, H. Sun, L. Gan, C.-Z. Ning, Sci. Adv. 2022, 8, eabl5134.

[85] J. S. Konthoujam, Y. Lin, Z. Chen, C. Chang, Y. Zhang, S. Lin, D. Lien, H. Kuo, M. Shih, Adv. Mater. Technol. 2025, 10, 2401743.

[86] M. Paur, A. J. Molina-Mendoza, R. Bratschitsch, K. Watanabe, T. Taniguchi, T. Mueller, Nat. Commun. 2019, 10, 1709.

[87] Y. Zhu, B. Wang, Z. Li, J. Zhang, Y. Tang, J. F. Torres, W. Lipiński, L. Fu, Y. Lu, Adv. Mater. 2021, 33, 2101375.

[88] H. Kim, S. Z. Uddin, D.-H. Lien, M. Yeh, N. S. Azar, S. Balendhran, T. Kim, N. Gupta, Y. Rho, C. P. Grigoropoulos, K. B. Crozier, A. Javey, Nature 2021, 596, 232.

[89] X. Chen, X. Lu, B. Deng, O. Sinai, Y. Shao, C. Li, S. Yuan, V. Tran, K. Watanabe, T. Taniguchi, D. Naveh, L. Yang, F. Xia, Nat. Commun. 2017, 8, 1672.

[90] L. Huang, B. Dong, X. Guo, Y. Chang, N. Chen, X. Huang, W. Liao, C. Zhu, H. Wang, C. Lee, K.-W. Ang, ACS Nano 2018, 13, 913.

[91] R. Peng, K. Khaliji, N. Youngblood, R. Grassi, T. Low, M. Li, Nano Lett. 2017, 17, 6315.

[92] W. S. Whitney, M. C. Sherrott, D. Jariwala, W.-H. Lin, H. A. Bechtel, G. R. Rossman, H. A. Atwater, Nano Lett. 2016, 17, 78.

[93] R. Zhang, Y. Zhang, H. Yu, H. Zhang, R. Yang, B. Yang, Z. Liu, J. Wang, Adv. Opt. Mater. 2015, 3, 1787.

[94] X. Shi, W. Li, X. Lan, Q. Guo, G. Zhu, W. Du, T. Wang, Small 2023, 19, 2301949.

[95] X. Zong, H. Hu, G. Ouyang, J. Wang, R. Shi, L. Zhang, Q. Zeng, C. Zhu, S. Chen, C. Cheng, B. Wang, H. Zhang, Z. Liu, W. Huang, T. Wang, L. Wang, X. Chen, Light: Sci. Appl. 2020, 9, 114.

[96] J. Wang, A. Rousseau, M. Yang, T. Low, S. Francoeur, S. Kéna-Cohen, Nano Lett. 2020, 20, 3651.

[97] J. Shin, H. Kim, S. Sundaram, J. Jeong, B.-I. Park, C. S. Chang, J. Choi, T. Kim, M. Saravanapavanantham, K. Lu, S. Kim, J. M. Suh, K. S. Kim, M.-K. Song, Y. Liu, K. Qiao, J. H. Kim, Y. Kim, J.-H. Kang, J. Kim, D. Lee, J. Lee, J. S. Kim, H. E. Lee, H. Yeon, H. S. Kum, S.-H. Bae, V. Bulovic, K. J. Yu, K. Lee, K. Chung, Y. J. Hong, A. Ougazzaden, J. Kim, Nature 2023, 614, 81.

[98] J. Li, X. Ding, Y. Shi, J. Li, Z. Deng, J. Qiu, J. Zhang, W. Luo, G. Liang, L. Zhao, Y. Tang, A. Q. Liu, Z. Li, FlexMat 2024, 1, 258.

[99] H. Li, C. Chen, Z. Ye, K. Feng, J. Huang, G. Xie, Y. Tao, FlexMat 2024, 1, 173.

[100] X. Zheng, Y. Wang, T. Chen, Y. Kong, X. Wu, C. Zhou, Q. Luo, C. Ma, L. Zuo, M. Shi, H. Chen, FlexMat 2024, 1, 221.

[101] M. Du, Y. Chen, M. Mai, T. Fan, Q. Jin, Y. Zhang, L. Duan, FlexMat 2024, 1, 46.

[102] S. Wang, H. Lian, Y. Yang, Z. Wu, Y. Li, H. Ling, W. Pisula, T. Marszalek, T. Xu, FlexMat 2025, 2, 82.

[103] S. Wang, X. Yang, L. Hou, X. Cui, X. Zheng, J. Zheng, Nat. Commun. 2022, 13, 4401.

[104] S. You, Z. Wu, L. Niu, X. Chu, Y. She, Z. Liu, Y. Cai, H. Liu, L. Zhang, K. Zhang, Z. Luo, S. Huang, Adv. Electron. Mater. 2022, 8, 2101146.

[105] M. Li, Z. Chen, K. Liu, Q. He, S. Su, FlexMat 2025, 2, 145.

RIGHTS & PERMISSIONS

2025 The Author(s). FlexMat published by John Wiley & Sons Australia, Ltd on behalf of Nanjing University of Posts & Telecommunications.