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>2.0eV）和低電導(dǎo)率的陶瓷或單晶材料中。與之相對，窄禁帶（Eg<1.0eV）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（half-Heusler）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、超導(dǎo)、催化等領(lǐng)域受到了廣泛關(guān)注。2012年，美國科學(xué)院院士David Vanderbilt與同事通過第一性原理計(jì)算預(yù)言半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料具有壓電潛力，并提出通過生長高質(zhì)量單晶有望從實(shí)驗(yàn)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(jì)算工作發(fā)表，支持Vanderbilt等人有關(guān)半赫斯勒體系壓電效應(yīng)的預(yù)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(dǎo)率可達(dá)103~105 S/m，比傳統(tǒng)壓電陶瓷高出十余個(gè)數(shù)量級，這使得直接觀測其壓電響應(yīng)面臨著重要實(shí)驗(yàn)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(zhì)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(dǎo)體材料壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。
浙江大學(xué)朱鐵軍教授團(tuán)隊(duì)在半赫斯勒材料熱電效應(yīng)研究方面有著近二十年的經(jīng)驗(yàn)積累。近年來，團(tuán)隊(duì)在半赫斯材料的高質(zhì)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(yīng)研究奠定了良好的基礎(chǔ)。近日，團(tuán)隊(duì)首次觀察到TiNiSn、ZrNiSn、TiCoSb三種半赫斯勒窄禁帶半導(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，該器件在不同外加應(yīng)力條件下均展現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓響應(yīng)并實(shí)現(xiàn)了為電容器充電的應(yīng)用演示。此外，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)》（https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads9584）。浙江大學(xué)為論文的第一通訊單位，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，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。
為了測定壓電系數(shù)，團(tuán)隊(duì)首先制備了TiNiSn, ZrNiSn和TiCoSb的[111]切型晶片。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)，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
數(shù)關(guān)系，首次從在實(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(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)出了穩(wěn)定的電壓響應(yīng)，且能夠持續(xù)為電容器充電。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。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。值得注意的是，窄帶半導(dǎo)體的壓電效應(yīng)機(jī)制起源可能不同于離子位移型的傳統(tǒng)壓電材料，該實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)可能為新型壓電材料設(shè)計(jì)及換能技術(shù)提供新的思路。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。
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(yīng)用展示
上述工作得到了國家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金委、硅及先進(jìn)半導(dǎo)體材料全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、浙江省自然科學(xué)基金委和中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)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(xué)
