Large In-Plane and Vertical Piezoelectricity in Janus Transition Metal Dichalchogenides

压电 材料科学 杰纳斯 凝聚态物理 过渡金属 平面(几何) 纳米技术 复合材料 化学 几何学 物理 数学 生物化学 催化作用
作者
Liang Dong,Jun Lou,Vivek B. Shenoy
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:11 (8): 8242-8248 被引量:904
标识
DOI:10.1021/acsnano.7b03313
摘要

Piezoelectricity in 2D van der Waals materials has received considerable interest because of potential applications in nanoscale energy harvesting, sensors, and actuators. However, in all the systems studied to date, strain and electric polarization are confined to the basal plane, limiting the operation of piezoelectric devices. In this paper, based on ab initio calculations, we report a 2D materials system, namely, the recently synthesized Janus MXY (M = Mo or W, X/Y = S, Se, or Te) monolayer and multilayer structures, with large out-of-plane piezoelectric polarization. For MXY monolayers, both strong in-plane and much weaker out-of-plane piezoelectric polarizations can be induced by a uniaxial strain in the basal plane. For multilayer MXY, we obtain a very strong out-of-plane piezoelectric polarization when strained transverse to the basal plane, regardless of the stacking sequence. The out-of-plane piezoelectric coefficient d33 is found to be strongest in multilayer MoSTe (5.7–13.5 pm/V depending on the stacking sequence), which is larger than that of the commonly used 3D piezoelectric material AlN (d33 = 5.6 pm/V); d33 in other multilayer MXY structures are a bit smaller, but still comparable. Our study reveals the potential for utilizing piezoelectric 2D materials and their van der Waals multilayers in device applications.
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