近日，浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院朱鐵軍教授團(tuán)隊(duì)首次觀察到TiNiSn、ZrNiSn、TiCoSb三種半赫斯勒（half-Heusler）窄禁帶半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)，制備了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型壓電器件，該器件展現(xiàn)出穩(wěn)定的壓電響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)為電容器充電，同時(shí)，半赫斯勒材料的壓電響應(yīng)在室溫至1173K范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，這些結(jié)果表明半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料在壓電領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。相關(guān)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(xué)術(shù)期刊《科學(xué)》上。該研究獲得了浙江省自然科學(xué)基金等的資助。
（https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads9584）
壓電換能技術(shù)可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能之間的直接轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于傳感、聲學(xué)、成像、驅(qū)動(dòng)和能量采集等領(lǐng)域。以往壓電材料的研究主要集中于具有寬禁帶（Eg > 2.0 eV）和低電導(dǎo)率的陶瓷或單晶材料中。與之相對(duì)，窄禁帶（Eg < 1.0 eV）半導(dǎo)體材料通常具有較高電導(dǎo)率，這不利于有效電荷積累形成穩(wěn)定電壓響應(yīng)。因此，窄禁帶半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)鮮有實(shí)驗(yàn)研究。
半赫斯勒材料是一個(gè)家族成員眾多、電子結(jié)構(gòu)豐富的材料體系，在熱電、磁性、拓?fù)浣^緣體、自旋電子等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。2012年，美國科學(xué)院院士David Vanderbilt等人通過理論計(jì)算預(yù)測半赫斯勒體系具有壓電效應(yīng)。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(dǎo)率比傳統(tǒng)壓電陶瓷高出十余個(gè)數(shù)量級(jí)，這使得直接觀測其壓電響應(yīng)面臨巨大的實(shí)驗(yàn)挑戰(zhàn)。迄今為止，國際上尚無半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。
瞄準(zhǔn)這個(gè)領(lǐng)域，為了測定壓電系數(shù)，朱鐵軍教授團(tuán)隊(duì)首先制備了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb半赫斯勒單晶的[111]切型晶片（圖1）。通過準(zhǔn)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(yīng)變常數(shù)（圖1），再根據(jù)剪切壓電應(yīng)變系數(shù)d14與[111]切型晶片垂直壓電應(yīng)變常數(shù)的31/2倍數(shù)關(guān)系，首次在實(shí)驗(yàn)上確定了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的剪切壓電應(yīng)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(duì)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。
圖1 TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb半赫斯勒單晶[111]切型晶片的壓電系數(shù)
團(tuán)隊(duì)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(shí)間下展現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓響應(yīng)，且能夠?yàn)殡娙萜鞒掷m(xù)充電（圖2）。此外，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)半赫斯勒材料在室溫至1173K范圍內(nèi)表現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性，其壓電響應(yīng)也在該溫區(qū)保持穩(wěn)定。
圖2 基于TiCoSb-[111]切型晶片制備的壓電器件及其應(yīng)用展示
上述結(jié)果表明半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料在壓電領(lǐng)域具有潛在應(yīng)用前景。窄帶半導(dǎo)體的壓電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)為新型壓電材料設(shè)計(jì)提供了新的思路。此外，窄帶半導(dǎo)體通常具有較為顯著的光電、熱電等效應(yīng)，這也為開發(fā)壓電-光電、壓電-熱電等多功能效應(yīng)協(xié)同的電子器件提供了新的可能。
浙江大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)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，浙江大學(xué)為論文的第一通訊單位，該工作的合作者有西安交通大學(xué)李飛教授和南京大學(xué)吳迪教授。
來源：浙江大學(xué)，省基金辦
