壓電換能技術可實現(xiàn)機械能與電能之間的直接轉換，廣泛應用于傳感、聲學、成像、驅動和能量采集等領域。以往壓電材料的研究主要集中于具有寬禁帶（Eg>2.0eV）和低電導率的陶瓷或單晶材料中。與之相對，窄禁帶（Eg<1.0eV）半導體材料通常具有較高電導率，這不利于有效電荷積累形成穩(wěn)定電壓響應。因此，窄禁帶半導體材料的壓電效應鮮有實驗研究。
半赫斯勒（half-Heusler）材料是一個家族成員眾多、電子結構豐富的材料體系，在熱電、磁性、拓撲絕緣體、自旋電子、超導、催化等領域受到了廣泛關注。2012年，美國科學院院士David Vanderbilt與同事通過第一性原理計算預言半赫斯勒窄帶半導體材料具有壓電潛力，并提出通過生長高質量單晶有望從實驗上測出該體系的壓電系數(shù)[Phys.Rev.Lett.109, 037602 (2012)]。過去十余年，陸續(xù)有理論計算工作發(fā)表，支持Vanderbilt等人有關半赫斯勒體系壓電效應的預測。然而，由于其窄禁帶特性以及本征缺陷存在，半赫斯勒材料的室溫電導率可達103~105 S/m，比傳統(tǒng)壓電陶瓷高出十余個數(shù)量級，這使得直接觀測其壓電響應面臨著重要實驗挑戰(zhàn)。此外，以往半赫斯勒體系的研究通常聚焦多晶材料開展，高質量單晶生長研究較少。迄今為止，國際上尚無半赫斯勒窄帶半導體材料壓電效應的實驗報道。
浙江大學朱鐵軍教授團隊在半赫斯勒材料熱電效應研究方面有著近二十年的經驗積累。近年來，團隊在半赫斯材料的高質量單晶生長也不斷取得突破，這為開展半赫斯勒材料壓電效應研究奠定了良好的基礎。近日，團隊首次觀察到TiNiSn、ZrNiSn、TiCoSb三種半赫斯勒窄禁帶半導體材料的壓電效應，制備了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型壓電器件，該器件在不同外加應力條件下均展現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓響應并實現(xiàn)了為電容器充電的應用演示。此外，半赫斯勒材料的壓電響應在室溫至1173K范圍內保持穩(wěn)定。這些結果表明半赫斯勒窄帶半導體材料在壓電領域具有潛在應用前景。相關研究成果以《Piezoelectricity in Half-Heusler Narrow Bandgap Semiconductors》為題于2025年3月14日在線發(fā)表于國際學術期刊《科學》（https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads9584）。浙江大學為論文的第一通訊單位，浙江大學材料科學與工程學院朱鐵軍教授、付晨光研究員和黃玉輝副教授為論文的共同通訊作者，博士后黃奕為該論文的第一作者，博士研究生呂福和韓屾為共同第一作者，該工作的合作者有西安交通大學李飛教授和南京大學吳迪教授。
為了測定壓電系數(shù)，團隊首先制備了TiNiSn, ZrNiSn和TiCoSb的[111]切型晶片。通過準靜態(tài)壓電常數(shù)測試方法得到[111]切型晶片的垂直壓電應變常數(shù)，再根據(jù)剪切壓電應變系數(shù)d14與[111]切型晶片垂直壓電應變常數(shù)的31/2
數(shù)關系，首次從在實驗上確定了TiNiSn, ZrNiSn和TiCoSb的剪切壓電應變系數(shù)d14分別約為8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N。其中，ZrNiSn和TiCoSb單晶的剪切壓電系數(shù)在非中心對稱、非極性壓電材料中屬于較高數(shù)值，高于SiO2、GaSb等寬禁帶壓電材料。團隊研發(fā)了基于TiCoSb- [111]切型晶片的壓電器件，該器件在不同施力大小和持續(xù)時間下展現(xiàn)出了穩(wěn)定的電壓響應，且能夠持續(xù)為電容器充電。此外，團隊發(fā)現(xiàn)半赫斯勒材料在室溫至1173K范圍內表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，其壓電響應也在該溫區(qū)保持穩(wěn)定。這些結果表明半赫斯勒窄帶半導體材料在壓電領域具有潛在應用前景。值得注意的是，窄帶半導體的壓電效應機制起源可能不同于離子位移型的傳統(tǒng)壓電材料，該實驗發(fā)現(xiàn)可能為新型壓電材料設計及換能技術提供新的思路。此外，窄帶半導體通常具有較為顯著的光電、熱電等效應，這為開發(fā)壓電-光電、壓電-熱電等多功能效應協(xié)同的電子器件提供了新的可能。
圖1. 半赫斯勒TiNiSn, ZrNiSn和TiCoSb [111]切型晶片的壓電系數(shù)
圖2. 基于半赫斯勒TiCoSb [111]切型晶片制備的壓電器件及其應用展示
上述工作得到了國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學基金委、硅及先進半導體材料全國重點實驗室、浙江省自然科學基金委和中央高校基本科研業(yè)務費專項資金的共同資助，也得到了上海同步輻射光源線站的支持。
來源：浙江大學
