Tribo-piezoelectric nanogenerators for energy harvesting: a first-principles study

Abstract

Two-dimensional transition metal dichalcogenides (TMDs) are highly promising candidates for various applications due to their unique electrical, optical, mechanical, and chemical properties. Furthermore, heterostructures consisting of TMDs with metals, oxides, and conductive materials have attracted significant research interest due to their exceptional electronic properties. In this study, we utilized density functional theory to investigate those electronic and transport properties, which are relevant for the application of tribo-piezoelectricity in creating novel nanogenerators: an interdisciplinary approach with promising applications. Twelve heterostructures are considered in this study, and four of them – MoS/IrO, MoS/TiO, MoS/WTe and MoTe/WS – with the strongest triboelectric response are selected for closer examination of their tribo-piezoelectric response. The results of the study demonstrate that the enhancement of charge transfer between layers and the orbital contribution to the Fermi level under applied strain in MoS/IrO, MoS/TiO, MoS/WTe, and MoTe/WS heterostructures is noteworthy. Additionally, non-equilibrium Green's function calculations of electron transport properties provide valuable insights into the behavior of these materials under different conditions. While MoS/IrO and MoS/ TiO hetero-bilayers are unsuitable due to their tendency to exhibit large current flow with increasing voltage, others like MoS/WTe and MoTe/WS hetero bilayers show promise due to their ability to prevent voltage drop. The presented innovative concept of utilizing compressive strain of TMD bilayers to generate a tribo-piezoelectric effect for nanogenerators has the potential to contribute to the development of efficient and sustainable energy harvesting devices.

Dvourozměrné dichalkogenidy přechodových kovů (TMDs) jsou díky svým unikátním elektrickým, optickým, mechanickým a chemickým vlastnostem velice slibnými kandidáty pro mnoho aplikací. Heterostruktury kombinující TMDs s kovy, oxidy a vodivými materiály díky svým mimořádným elektronickým vlastnostem rovněž přitahují velkou pozornost. Pomocí DFT jsme studovali takové elektronické a transportní vlastnosti, které jsou relevantní pro aplikace tribo-piezoelektricity v nových nanogenerátorech: interdisciplinární přístup se slibnými aplikacemi. Zkoumali jsme dvanáct různých heterostruktur a na základě nejsilnější triboelektrické odezvy byly čtyři z nich - MoS/IrO, MoS/TiO, MoS/WTe a MoTe/WS - vybrány pro bližší prozkoumání tribo-piezoelektrické odezvy. Výsledky demonstrují, že zvýšení přenosu náboje mezi vrstvami a orbitální příspěvek k Fermiho hladině v důsledku deformace jsou v případě MoS/IrO, MoS/TiO, MoS/WTe a MoTe/WS pozoruhodné. Výpočty elektronových transportních vlastností založené na Greenově funkci dále poskytují cenný vhled do chování těchto materiálů za různých podmínek. Zatímco hetero-dvojvrstvy MoS/IrO a MoS/TiO nejsou vhodné kvůli své tendenci k vysokým proudovým tokům při zvýšeném napětí, další včetně MoS/WTe a MoTe/WS se díky své schopnosti prevence poklesu napětí jeví slibně. Prezentovaný inovativní koncept využití kompresní deformace TMD dvojvrstev k tribopiezoelektrickému efektu v nanogenerátorech má potenciál přispět k vývoji efektivních a udržitelných zdrojů energie.