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Oxygen-Passivated Sulfur Vacancies in Monolayer MoS2 for Enhanced Piezoelectricity

单层 氧气 硫黄 材料科学 钝化 压电 纳米技术 化学物理 化学 图层(电子) 冶金 复合材料 有机化学
作者
Ajay Kumar Verma,Md. Ataur Rahman,Pargam Vashishtha,Xiangyang Guo,Manoj Sehrawat,Rahul Mitra,Sindhu Priya Giridhar,Moaz Waqar,Ankit Bhoriya,Billy J. Murdoch,Chenglong Xu,Ali Zavabeti,Wei Song,Yongxiang Li,Sanjay R. Dhakate,Bhasker Gahtori,Taimur Ahmed,Irfan Haider Abidi,Sumeet Walia
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
被引量:4
标识
DOI:10.1021/acsnano.4c13037
摘要

Modern-day applications demand onboard electricity generation that can be achieved using piezoelectric phenomena. Reducing the dimensionality of materials is a pathway to enhancing the piezoelectric properties. Transition-metal dichalcogenides have been shown to exhibit high piezoelectricity. Monolayer MoS2 possesses strong piezoelectricity that is otherwise negligible in its bulk form. The presence of sulfur vacancy defects in two-dimensional MoS2 can starkly reduce piezoelectric output due to enhanced charge screening. Oxygen passivation offers thermodynamically favorable and superior vacancy passivation. Here, we demonstrate an in situ oxygen passivation of sulfur vacancies achieved by performing chemical vapor deposition in atmospheric pressure conditions, resulting in a dramatically enhanced piezoelectric output. We achieved an out-of-plane effective piezoelectric coefficient d33eff 0.54 pm/V for the MoS2 monolayer with sulfur vacancies (SV-MoS2) and 0.94 pm/V where sulfur vacancies are passivated by oxygen (OP-MoS2). The piezoelectric device (PED) based on OP-MoS2 exhibits 26% higher output voltage than SV-MoS2 with the maximum peak-to-peak value of 0.95 V. Additionally, we show that the OP-MoS2-based PED can charge a 330 nF capacitor 30% faster than the SV-MoS2 PED for up to 50 mV in 0.5 s by repetitive finger tapping. The evolution of piezoelectricity in MoS2 with sulfur vacancy defect manipulation promises an avenue for scalable defect engineering for next-generation applications in miniaturized self-powered electronics and sensors across computing, healthcare, and size-, weight-, and power-constrained environments.
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