浙大朱铁军团队Science：首次实验观测到Half-Heusler半导体的压电系数

压电 (PE) 材料在受到机械应力时会产生电压，可用于制造将振动能转化为电能的 PE 发电机。对 PE 材料的研究主要集中在具有宽带隙（ E _g > 2.0 eV ）和低电导率（ ~10 ^{− 15} S/m ）的陶瓷和单晶 (SC) 。具有非中心对称晶体结构的窄带隙（ E _g ≤ 0.5 eV ）半导体的 PE 特性却很少受到关注，这是因为它们的电导率通 常较高，从而妨碍了有效的电荷积累和电压响应的稳定维持。 Half-Heusler(HH) 化合物是三元金属间化合物，其化学计量式为 XYZ ，其中 X 是电正性最高的元素， Y 是电正性较低的过渡金属元素， Z 是主族元素。符合 18 价电子规则的 HH 化合物被归类为窄带隙半导体，其具有优异的力学性能，在半导体、热电、半金属铁磁性、超导、拓扑绝缘体、形状记忆效应等等领域具有巨大的多功能应用潜力。这些化合物属于非中心对称非极性 F ` 43m 空间群，一般来说， F ` 43m 空间群允许一个非零 PE 响应，该响应被描述为剪切 PE 应变系数 d ₁₄ ， d ₁₄ 可以从在 [111] 方向上测量的垂直 PE 应变系数 d ′ ₃₃ ^[111] 得出。 DFT 计算预测 VFeSb 化合物具有良好的剪切 PE 应变系数，约为 100 pC/N ，与 BaTiO ₃ 基陶瓷的 PE 系数相当。 TiNiSn 和 ZrNiSn 化合物的 PE 系数也预测与 SiO ₂ 在同一数量级。然而，在过去的十年中， HH 化合物中的 PE 效应仅停留在理论预测阶段。与传统 PE 材料（ PZT 在室温下约为 10 ^-15 S/m ）相比， HH 表现出更高的电导率（室温下约为 10 ⁴ S/m ），这对观察 PE 响应提出了巨大挑战。

浙江大学朱铁军教授、黄玉辉副教授、付晨光研究员等研究人员 介绍了 HH TiNiSn 、 ZrNiSn 和 TiCoSb 化合物中 PE 效应的实验观察。研究结果表明， SCs ZrNiSn 和 TiCoSb 表现出较大的 PE 响应， PE 系数约为 35 pC/N 。此外，已经证实了这些化合物中 PE 效应的热稳定性，最高可达 1173 K 的高温。展示了一种使用 TiCoSb SC 的 PE 传感器，没有诱导极化，它具有较大的电压响应，能够为电容器充电，这展示了 HHs 在实际 PE 应用中的前景。将这些具有非中心对称非极性结构的 HH 窄带隙半导体定位为先进 PE 材料的有吸引力的候选材料。在 HH 化合物中成功观察到 PE 效应为其在 PE 中的更广泛应用奠定了基础，并促进了对不同 PE 材料的探索。结合它们的窄带隙半导体特性，这种协同作用可以推动多功能设备的发展。

相关研究成果2025年3月13日以“ Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors ”为题发表在 Science 上。