南航郭宇鋒Nano Energy: “雙面神”過渡金屬硫族化合物雙層中的摩擦壓電性

【引言】

作為典型的二維（2D）材料，過渡金屬硫族化合物（TMD）是半導體性的，在場效應晶體管，超薄光電探測和發光器件中具有廣泛的應用潛力。在能量收集領域，一些實驗報道了基于2D MoS₂的壓電納米發電機的技術原型，其原理是利用MoS₂的壓電性和壓電電子學效應。此外，由于平坦的表面和大的接觸面積，MoS₂材料也被用于摩擦發電器件以獲得更高的電壓輸出和連續的直流電流。最近，利用化學氣相沉積和熱硒化方法，可在MoS₂單層中用Se原子完全替代頂層S原子，從而成功合成了2H相的“雙面神”（Janus） MoSSe單層，這種Janus MoSSe的原子布局破壞了離面的結構對稱性，并導致了垂直方向的偶極矩。理論研究進一步表明，除了優異的面內壓電性，Janus MXY（M = Mo或W，X / Y = S，Se或Te，以及X≠Y）單層和多層相較于初始的MoS₂或MoSe₂結構具有更強的離面壓電極化，這使其更適合應用于納米尺度能量轉換器件。然而，到目前為止人們還很少考慮將Janus TMD用于納米發電機，其發電的可行性和機制仍不清楚。

【圖文摘要】

【成果簡介】

近日，南京航空航天大學郭萬林院士、郭宇鋒教授（通訊作者）課題組與美國布朗大學Huajian Gao院士合作，在國際期刊Nano Energy上發表了文章：Tribo-piezoelectricity in Janus transition metal dichalcogenide bilayers: A first-principles study。本研究工作中，研究者們使用第一性原理計算發現，“雙面神”過渡金屬硫族化合物（Janus TMD）雙層的面內層間滑動將會顯著增強離面或垂直方向的電極化和壓電性。這種摩擦導致的壓電性可通過Janus TMD雙層克服層間滑動阻力而達到具有最強離面壓電性的堆疊狀態時所消耗的摩擦能量及相應的能量轉換來解釋。減小Janus TMD雙層的層間距離會增加滑動能壘，從而提高Janus TMD雙層頂部和底部表面之間產生的垂直電荷極化和感應電壓。基于在Janus TMD雙層中所揭示的摩擦壓電性，科學家們提出了一種壓滑設計策略用于構建具有高功率密度的新型納米發電機。本文第一作者蔡海方為郭宇鋒教授指導的博士研究生。

圖1. 本研究作者，從左到右依次為蔡海方和郭宇鋒教授。

【亮點】

?揭示了Janus TMD雙層中的摩擦壓電效應，可用于設計具有高功率密度的新型納米發電機。

【圖文導讀】

圖2. MoSSe雙層層間滑動的勢能面（PES）和極化偏差面（PDS）。（a）A-B堆疊MoSSe雙層弛豫后原子構型的俯視圖和側視圖，以及A-C堆疊雙層的側視圖。 單胞的晶格矢量a1和a2用紅線標出，d表示表面Se和底部S層之間的層間距離。層間距離為d = 0.96nm和0.93nm時，（b）MoSSe雙層的PES（以meV為單位）和（c）PDS（以pC / m為單位）。（b）和（c）中的點指出了A-A和A-C堆疊的位置。

圖3. 理論計算結果。（a）當層間距離從0.96 nm減小到0.91 nm時，最大極化改變（以pC/m為單位）與相應最大滑動能壘（以meV為單位）的變化曲線。（b）層間剪切強度（帶點的黑線）和最大滑動能壘（帶有塊的藍線）與層間距離變化曲線。

圖4. A-B和A-A堆疊MoSSe雙層電荷密度差分圖（以0.01 e/?³為單位）的2D投影。在d = 0.96nm（a，b）和d = 0.93nm（c，d）時，A-B和A-A堆疊MoSSe雙層電荷密度差分圖（以0.01 e/?³為單位）的2D投影。原子表示與圖1中的相同。

圖5. MoSSe雙層的平均電荷密度差、感應電荷及電壓生成示意圖。（a）AB堆疊和（b）AA堆疊的MoSSe雙層的頂部和底部MoSSe單層的S層和Se層之間的平均電荷密度差（以0.001 e/?³為單位）與層間距離變化曲線。（c，d）與具有相同層間距離的（c）A-B堆疊和（d）A-A堆疊MoSSe雙層頂表面和底表面接觸的電極產生的感應電荷和電壓示意圖。

?圖6. A-A堆疊MoSSe雙層的靜電電勢差隨層間距離變化曲線。（a）A-A堆疊MoSSe雙層的表面Se和底部S層之間的靜電電勢差隨層間距離變化曲線。插圖給出了估算的A-B和A-A堆疊MoSSe雙層頂表面和底表面之間產生的電壓。（b）各種Janus TMD雙層在不同層間距離下最大極化改變（以pC/m為單位）隨最大滑動能壘（以meV為單位）變化曲線。

圖7. Janus TMD雙層摩擦壓電的工作原理示意圖。其中壓滑運動由探針針尖或下面的電極基底運動操縱。探針和電極分別用灰色和青色表示。

【總結】

對于Janus TMD雙層，保持層間距離不變的面內層間滑動可以顯著提高離面壓電性。這種摩擦壓電效應起源于Janus TMD雙層從初始A-B堆疊狀態滑動到具有最大的離面壓電性的A-A堆疊狀態時所引起的摩擦能量的轉換，并且在層間滑動過程中不產生摩擦電荷。根據Janus TMD雙層所展示的摩擦壓電性，科學家們提出了一種壓滑策略來構建具有高功率密度的納米發電機。科學家們的研究結果為Janus TMD材料在能量轉換與收集器件和設備中的應用提供了一些新的見解。

?文章鏈接：Tribo-piezoelectricity in Janus transition metal dichalcogenide bilayers: a first-principles study. (Nano Energy, DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.11.027)

?本文由材料人編輯部金屬材料學術組艾超供稿，郭宇鋒教授課題組校稿，材料牛編輯整理。

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