摘要：在此，浙江大学朱铁军教授，黄玉辉副教授和付晨光研究员等人报道了在半Heusler（HH）窄带隙半导体TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb中观察到的压电（PE）效应。这些材料展现出的剪切压电应变系数分别达到ZrNiSn的约38皮库仑/牛顿和TiCoSb的33
压电效应主要在非中心对称绝缘体或宽带隙半导体中被观察到
在此，浙江大学朱铁军教授，黄玉辉副教授和付晨光研究员等人报道了在半Heusler（HH）窄带隙半导体TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb中观察到的压电（PE）效应。这些材料展现出的剪切压电应变系数分别达到ZrNiSn的约38皮库仑/牛顿和TiCoSb的33皮库仑/牛顿，这些数值对于非中心对称的非极性材料来说较高。同时，展示了一种基于TiCoSb的压电传感器，其具有较大的电压响应，并能够为电容器充电。HHs中的压电效应在高达1173开尔文的温度下仍保持热稳定性，突显了其在高温应用中的潜力。观察结果表明，这些HH窄带隙半导体可能在先进的多功能技术中找到有前景的应用。
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研究背景
能量收集技术能够使电子设备实现自给自足的能源供应。压电（PE）材料在受到机械应力时能够产生电电压，可用于制造将振动能量转化为电能的压电发电机。压电应变系数d是表征压电材料性能的关键参数，反映了材料的机械性能与介电性能之间的耦合关系。一般来说，较高的压电系数意味着更优越的压电性能。压电材料的研究主要集中在具有宽带隙（Eg > 2.0 eV）和低电导率（~10-15 S/m）的陶瓷和单晶上。例如，基于Pb(Zr,Ti)O3（PZT）的陶瓷因其d值超过1000 pC/N而备受关注。此外，一些无铅陶瓷如BaTiO3、(Bi,Na)TiO3、(K,Na)NbO3和基于BiFeO3的陶瓷也因其环境友好性而受到关注。然而，这些压电材料通常需要外部电场来诱导极化以获得压电响应。
相比之下，窄带隙（Eg ≤ 0.5 eV）半导体因其较高的电导率而阻碍了有效电荷积累和稳定的电压响应，因此在压电性能方面的研究较少。例如，具有R3m结构的三方晶系α-GeTe表现出铁电相，但其高电导率（~5×105 S/m，300 K）使得实验上难以记录到高应变系数。半Heusler（HH）化合物是一类具有XYZ化学计量比的三元金属间化合物，其中X是最电正性的元素，Y是较不电正性的过渡金属元素，Z是主族元素。HH化合物具有立方MgAgAs型结构，属于非中心对称的非极性空间群。这类化合物因其优异的机械性能和多功能应用潜力而备受关注。然而，尽管理论预测HH化合物具有可观的压电效应，但实验上对其压电效应的观察仍处于空白。能量收集技术在可穿戴设备和物联网设备中具有广阔的应用前景。例如，研究人员开发了利用人体运动和汗水为可穿戴设备供电的电子皮肤。此外，能量收集技术还被用于开发为野生动物追踪器供电的微型发电机。这些应用展示了能量收集技术在实现设备自给自足能源供应方面的潜力。
综上所述，尽管压电材料的研究取得了显著进展，但窄带隙半导体如半Heusler化合物的压电性能仍需进一步探索。能量收集技术的发展为电子设备的自给自足能源供应提供了新的可能性。
主要内容
本文对半Heusler（HH）化合物TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb中的压电（PE）效应进行了实验观察。研究发现，单晶ZrNiSn和TiCoSb展现出较大的压电响应，其压电系数约为35 pC/N。此外，还确认了这些化合物的压电效应在高达1173 K的温度下仍保持热稳定性，利用未诱导极化的TiCoSb单晶制造了一种压电传感器，展示了HH化合物在实际压电应用中的潜力。观察结果表明，这些具有非中心对称非极性结构的HH窄带隙半导体是先进压电材料的有吸引力的候选者。在HH化合物中成功观察到压电效应，为其在压电领域的广泛应用奠定了基础，并推动了对不同类型压电材料的探索。结合其窄带隙半导体特性，这种协同效应有望推动多功能设备的发展。
图1：HH SCs的PE性能的表征及比较。
图2：所研究的HH化合物的PE系数的制备及比较。
图3：TiCoSb[111]的压力灵敏度测量。
图4：TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb化合物的力学和热稳定性。
结论展望
综上所述，本文在多晶（PC）和单晶半Heusler（HH）化合物TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb中观察到了直接压电（PE）效应。单晶ZrNiSn和TiCoSb的压电应变系数在室温下分别展现出约38 pC/N和33 pC/N的高值，这对于具有非中心对称非极性结构的材料来说是显著的。同时，通过使用单晶TiCoSb [111]展示的压电传感器中观察到的较大压电响应，突显了这些材料在实际应用中的潜力。此外，这些材料在高温下的机械稳定性进一步证明了它们在先进压电设备和传感器中的适用性。具有非中心对称立方结构的HH窄带隙半导体将这些晶体置于潜在压电材料的前沿，在HH化合物中成功实现压电性能的实验观察，为其在压电应用中的更广泛利用奠定了基础，并促进了在窄带隙半导体中探索新型压电材料。结合其窄带隙半导体特性，这种协同效应有望推动多功能设备的发展。
文献信息
Yi Huang†, Fu Lv†, Shen Han†, Mengzhao Chen, Yuechu Wang, Qianhui Lou, Chenguang Fu*,Yuhui Huang*, Di Wu, Fei Li, Tiejun Zhu*, Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors, Science, https://www.science.org/doi/10.1126/science.ads9584
来源：MS杨站长