浙江大学朱铁军教授团队《Science》：半赫斯勒窄带半导体材料的压电效应

摘要：压电换能技术可实现机械能与电能之间的直接转换，广泛应用于传感、声学、成像、驱动和能量采集等领域。以往压电材料的研究主要集中于具有宽禁带（Eg＜ 1.0 eV）半导体材料通常具有较高电导率，这不利于有效电荷积累形成稳定电压响应。因此，窄禁带半导体材料的压电效应鲜

压电换能技术可实现机械能与电能之间的直接转换，广泛应用于传感、声学、成像、驱动和能量采集等领域。以往压电材料的研究主要集中于具有宽禁带（Eg＜ 1.0 eV）半导体材料通常具有较高电导率，这不利于有效电荷积累形成稳定电压响应。因此，窄禁带半导体材料的压电效应鲜有实验研究。半赫斯勒（half-Heusler）材料是一个家族成员众多、电子结构丰富的材料体系，在热电、磁性、拓扑绝缘体、自旋电子、超导、催化等领域受到了广泛关注。2012年，美国科学院院士David Vanderbilt与同事通过第一性原理计算预言半赫斯勒窄带半导体材料具有压电潜力，并提出通过生长高质量单晶有望从实验上测出该体系的压电系数[Phys. Rev. Lett. 109, 037602 (2012)]。过去十余年，陆续有理论计算工作发表，支持Vanderbilt等人有关半赫斯勒体系压电效应的预测。然而，由于其窄禁带特性以及本征缺陷存在，半赫斯勒材料的室温电导率可达1035S/m，比传统压电陶瓷高出十余个数量级，这使得直接观测其压电响应面临着重要实验挑战。此外，以往半赫斯勒体系的研究通常聚焦多晶材料开展，高质量单晶生长研究较少。迄今为止，国际上尚无半赫斯勒窄带半导体材料压电效应的实验报道。

浙江大学朱铁军教授团队在半赫斯勒材料热电效应研究方面有着近二十年的经验积累。近年来，团队在半赫斯材料的高质量单晶生长也不断取得突破，这为开展半赫斯勒材料压电效应研究奠定了良好的基础。近日，团队首次观察到TiNiSn、ZrNiSn、TiCoSb三种半赫斯勒窄禁带半导体材料的压电效应，制备了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型压电器件，该器件在不同外加应力条件下均展现出稳定的电压响应并实现了为电容器充电的应用演示。此外，半赫斯勒材料的压电响应在室温至1173K范围内保持稳定。这些结果表明半赫斯勒窄带半导体材料在压电领域具有潜在应用前景。相关研究成果以《Piezoelectricity in Half-Heusler Narrow Bandgap Semiconductors》为题于2025年3月14日在线发表于国际学术期刊《科学》（https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads9584）。浙江大学为论文的第一通讯单位，浙江大学材料科学与工程学院朱铁军教授、付晨光研究员和黄玉辉副教授为论文的共同通讯作者，博士后黄奕为该论文的第一作者，博士研究生吕福和韩屾为共同第一作者，该工作的合作者有西安交通大学李飞教授和南京大学吴迪教授。

为了测定压电系数，团队首先制备了TiNiSn, ZrNiSn和TiCoSb的[111]切型晶片。通过准静态压电常数测试方法得到[111]切型晶片的垂直压电应变常数，再根据剪切压电应变系数d14与[111]切型晶片垂直压电应变常数的31/2倍数关系，首次从在实验上确定了TiNiSn, ZrNiSn和TiCoSb的剪切压电应变系数d14分别约为8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N。其中，ZrNiSn和TiCoSb单晶的剪切压电系数在非中心对称、非极性压电材料中属于较高数值，高于SiO2、GaSb等宽禁带压电材料。团队研发了基于TiCoSb- [111]切型晶片的压电器件，该器件在不同施力大小和持续时间下展现出了稳定的电压响应，且能够持续为电容器充电。此外，团队发现半赫斯勒材料在室温至1173K范围内表现出良好的热稳定性，其压电响应也在该温区保持稳定。这些结果表明半赫斯勒窄带半导体材料在压电领域具有潜在应用前景。值得注意的是，窄带半导体的压电效应机制起源可能不同于离子位移型的传统压电材料，该实验发现可能为新型压电材料设计及换能技术提供新的思路。此外，窄带半导体通常具有较为显著的光电、热电等效应，这为开发压电-光电、压电-热电等多功能效应协同的电子器件提供了新的可能。