編輯總結(jié)
壓電材料在受應(yīng)變時(shí)能產(chǎn)生電能，因此在傳感器或執(zhí)行器中有廣泛應(yīng)用。由于種種原因，良好的壓電材料通常是電絕緣體或?qū)捊麕О雽?dǎo)體。本研究展示了來自半哈斯勒家族的窄禁帶半導(dǎo)體也具有良好的壓電特性。他們發(fā)現(xiàn)至少有三種無鉛成分在高溫下仍具有良好的壓電應(yīng)變系數(shù)。這些材料的特性組合使它們成為與傳統(tǒng)壓電材料不同的一系列應(yīng)用的良好候選材料。——Brent Grocholski
研究背景
壓電換能技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的直接轉(zhuǎn)換，廣泛應(yīng)用于傳感器、聲學(xué)、成像、驅(qū)動和能量采集等多個(gè)領(lǐng)域。傳統(tǒng)的壓電材料研究主要集中在具有寬禁帶（Eg > 2.0 eV）和低電導(dǎo)率的陶瓷和單晶材料上。相較之下，窄禁帶（Eg < 1.0 eV）半導(dǎo)體材料通常表現(xiàn)出較高的電導(dǎo)率，這不利于電荷的有效積累和穩(wěn)定電壓響應(yīng)。因此，窄禁帶半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)研究相對較少。半赫斯勒（Half-Heusler，HH）材料是一個(gè)具有豐富電子結(jié)構(gòu)的材料家族，廣泛應(yīng)用于熱電、磁性、拓?fù)浣^緣體、自旋電子學(xué)、超導(dǎo)、催化等多個(gè)領(lǐng)域。2012年，美國科學(xué)院院士David Vanderbilt及其團(tuán)隊(duì)通過第一性原理計(jì)算預(yù)測，半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料具有壓電潛力，并提出通過高質(zhì)量單晶的生長，可能從實(shí)驗(yàn)上測量該體系的壓電系數(shù)。過去十余年，雖然有一些理論計(jì)算支持這一預(yù)測，但由于半赫斯勒材料的窄禁帶特性以及本征缺陷，導(dǎo)致其室溫電導(dǎo)率達(dá)到103~105 S/m，比傳統(tǒng)壓電陶瓷高出十幾個(gè)數(shù)量級，這使得直接觀察其壓電響應(yīng)變得極具挑戰(zhàn)性。此外，以往對半赫斯勒體系的研究主要集中在多晶材料上，缺乏高質(zhì)量單晶的生長研究。迄今為止，國際上尚未有關(guān)于半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料壓電效應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。 為此，浙江大學(xué)朱鐵軍團(tuán)隊(duì)在半赫斯勒材料的熱電效應(yīng)研究上積累了近二十年的經(jīng)驗(yàn)，并在半赫斯勒材料高質(zhì)量單晶的生長方面取得了顯著突破，為開展半赫斯勒材料壓電效應(yīng)研究奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。近日，浙江大學(xué)朱鐵軍團(tuán)隊(duì)的黃玉輝/付晨光課題組在Science期刊上發(fā)表了題為“Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors”的最新論文。他們首次實(shí)驗(yàn)觀察到TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb三種半赫斯勒窄禁帶半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)，并成功制備了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型壓電器件。該器件在不同外加應(yīng)力條件下展現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓響應(yīng)，并成功實(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，展現(xiàn)出良好的熱穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料在壓電領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用潛力。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，得到了這些晶片的垂直壓電應(yīng)變常數(shù)，并根據(jù)剪切壓電應(yīng)變系數(shù)d14與垂直壓電應(yīng)變常數(shù)的關(guān)系，首次實(shí)驗(yàn)測定了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的剪切壓電應(yīng)變系數(shù)，分別約為8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N。其中，ZrNiSn和TiCoSb的單晶壓電系數(shù)在非中心對稱、非極性壓電材料中屬于較高數(shù)值，超過了SiO2、GaSb等傳統(tǒng)寬禁帶壓電材料。此外，團(tuán)隊(duì)開發(fā)的基于TiCoSb-[111]切型晶片的壓電器件，在不同的施力大小和持續(xù)時(shí)間下均表現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓響應(yīng)，并能夠持續(xù)為電容器充電。研究還發(fā)現(xiàn)，半赫斯勒材料在室溫至1173K的溫度范圍內(nèi)展現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性，且其壓電響應(yīng)在該溫度區(qū)間保持穩(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)域具有重要的應(yīng)用前景。 值得注意的是，窄帶半導(dǎo)體的壓電效應(yīng)機(jī)制可能與傳統(tǒng)離子位移型壓電材料不同，這一實(shí)驗(yàn)結(jié)果為新型壓電材料的設(shè)計(jì)和換能技術(shù)提供了新的思路。同時(shí)，窄帶半導(dǎo)體通常具有顯著的光電、熱電效應(yīng)，為開發(fā)壓電-光電、壓電-熱電等多功能協(xié)同效應(yīng)的電子器件提供了新的可能性。
研究亮點(diǎn)
1.實(shí)驗(yàn)首次觀察到半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體材料的壓電效應(yīng)，并成功制備了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型壓電器件。通過對TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb三種半赫斯勒材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，首次在半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體中測得了顯著的壓電響應(yīng)，驗(yàn)證了其在壓電領(lǐng)域的潛力。2.實(shí)驗(yàn)通過準(zhǔn)靜態(tài)壓電常數(shù)測試，測定了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的壓電系數(shù)。通過測試得到這些材料的垂直壓電應(yīng)變常數(shù)，并根據(jù)剪切壓電應(yīng)變系數(shù)d14與垂直應(yīng)變常數(shù)的關(guān)系，首次實(shí)驗(yàn)測定了它們的剪切壓電應(yīng)變系數(shù)，分別為8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N，特別是ZrNiSn和TiCoSb的剪切壓電系數(shù)較高，超越了傳統(tǒng)寬禁帶壓電材料。 3.基于TiCoSb-[111]切型晶片的壓電器件在不同施力條件下表現(xiàn)出穩(wěn)定的電壓響應(yīng)。器件能夠持續(xù)為電容器充電，展示出良好的壓電性能。此外，實(shí)驗(yàn)還表明，半赫斯勒材料的壓電響應(yīng)在室溫至1173K的廣泛溫度范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，表現(xiàn)出優(yōu)異的熱穩(wěn)定性。4.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，半赫斯勒窄帶半導(dǎo)體的壓電效應(yīng)機(jī)制可能不同于傳統(tǒng)離子位移型壓電材料，這一發(fā)現(xiàn)為設(shè)計(jì)新型壓電材料及其換能技術(shù)提供了新的思路。窄帶半導(dǎo)體的光電、熱電等效應(yīng)也為開發(fā)多功能協(xié)同電子器件（如壓電-光電、壓電-熱電器件）提供了新的可能性。
圖文解讀
圖1. 半赫斯勒化合物的非中心對稱晶體結(jié)構(gòu)圖2. [111]晶向切割單晶片的制備流程與壓電系數(shù)分布圖3. TiCoSb壓電傳感器的壓力靈敏度測試及電容器充電實(shí)驗(yàn)圖4. 材料的高溫力學(xué)穩(wěn)定性與壓電系數(shù)溫度依賴性
結(jié)論展望
本文觀察到PC和單晶半赫斯勒TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb中的直接壓電效應(yīng)。單晶ZrNiSn和TiCoSb的壓電應(yīng)變系數(shù)分別在室溫下達(dá)到約38和33 pC/N，這在非中心對稱非極性結(jié)構(gòu)的材料中具有重要意義。作者在壓電傳感器中觀察到的大幅壓電響應(yīng)，尤其是使用單晶TiCoSb [111]切型板演示的結(jié)果，凸顯了它們在應(yīng)用中的潛力。此外，良好的高溫機(jī)械穩(wěn)定性也突顯了它們在先進(jìn)壓電器件和傳感器中的適用性。具有非中心對稱立方結(jié)構(gòu)的半赫斯勒窄帶隙半導(dǎo)體將這些晶體推向了潛在壓電材料的前沿。半赫斯勒化合物中壓電特性的成功實(shí)驗(yàn)觀察為其在壓電應(yīng)用中的更廣泛使用奠定了基礎(chǔ)，并促進(jìn)了窄帶隙半導(dǎo)體中新型壓電材料的探索。Yi Huang et al. ,Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors.Science387,1187-1192(2025).DOI:10.1126/science.ads9584
