主要观点总结
研究团队首次实验观察到半赫斯勒窄带半导体材料TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的压电效应，并成功制备了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型压电器件。这些材料在压电领域具有重要应用潜力，展现出稳定的电压响应和良好的热稳定性。
关键观点总结
关键观点1: 半赫斯勒窄带半导体材料的压电效应首次被实验观察到。
研究团队对TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb这三种半赫斯勒材料进行实验，首次测得显著的压电响应，验证了其在压电领域的潜力。
关键观点2: 基于TiCoSb-[111]切型晶片的压电器件表现出稳定的电压响应。
该器件在不同施力条件下均表现出稳定的电压响应，并能够持续为电容器充电，展示出良好的压电性能。
关键观点3: 半赫斯勒材料的压电响应在室温至1173K的广泛温度范围内保持稳定。
实验表明半赫斯勒材料具有优异的热稳定性，其压电响应在该温度区间内保持稳定。
关键观点4: 半赫斯勒窄带半导体的压电效应机制可能不同于传统离子位移型压电材料。
这一发现为设计新型压电材料及其换能技术提供了新的思路。此外，窄带半导体的光电、热电等效应也为开发多功能协同电子器件提供了新的可能性。
正文
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编辑总结
压电材料在受应变时能产生电能，因此在传感器或执行器中有广泛应用。由于种种原因，良好的压电材料通常是电绝缘体或宽禁带半导体。本研究展示了来自半哈斯勒家族的窄禁带半导体也具有良好的压电特性。他们发现至少有三种无铅成分在高温下仍具有良好的压电应变系数。这些材料的特性组合使它们成为与传统压电材料不同的一系列应用的良好候选材料。——Brent Grocholski研究背景
压电换能技术可以实现机械能和电能之间的直接转换，广泛应用于传感器、声学、成像、驱动和能量采集等多个领域。传统的压电材料研究主要集中在具有宽禁带（Eg > 2.0 eV）和低电导率的陶瓷和单晶材料上。相较之下，窄禁带（Eg < 1.0 eV）半导体材料通常表现出较高的电导率，这不利于电荷的有效积累和稳定电压响应。因此，窄禁带半导体材料的压电效应的实验研究相对较少。半赫斯勒（Half-Heusler，HH）材料是一个具有丰富电子结构的材料家族，广泛应用于热电、磁性、拓扑绝缘体、自旋电子学、超导、催化等多个领域。2012年，美国科学院院士David Vanderbilt及其团队通过第一性原理计算预测，半赫斯勒窄带半导体材料具有压电潜力，并提出通过高质量单晶的生长，可能从实验上测量该体系的压电系数。过去十余年，虽然有一些理论计算支持这一预测，但由于半赫斯勒材料的窄禁带特性以及本征缺陷，导致其室温电导率达到103~105 S/m，比传统压电陶瓷高出十几个数量级，这使得直接观察其压电响应变得极具挑战性。此外，以往对半赫斯勒体系的研究主要集中在多晶材料上，缺乏高质量单晶的生长研究。迄今为止，国际上尚未有关于半赫斯勒窄带半导体材料压电效应的实验报道。 为此，浙江大学朱铁军团队在半赫斯勒材料的热电效应研究上积累了近二十年的经验，并在半赫斯勒材料高质量单晶的生长方面取得了显著突破，为开展半赫斯勒材料压电效应研究奠定了坚实的基础。近日，浙江大学朱铁军团队的黄玉辉/付晨光课题组在Science期刊上发表了题为“Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors”的最新论文。他们首次实验观察到TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb三种半赫斯勒窄禁带半导体材料的压电效应，并成功制备了基于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展现出稳定的电压响应，并成功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，展现出良好的热稳定性。研究结果表明，半赫斯勒窄带半导体材料在压电领域具有重要的应用潜力。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，得到了这些晶片的垂直压电应变常数，并根据剪切压电应变系数d14与垂直压电应变常数的关系，首次实验测定了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的剪切压电应变系数，分别约为8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N。其中，ZrNiSn和TiCoSb的单晶压电系数在非中心对称、非极性压电材料中属于较高数值，超过了SiO2、GaSb等传统宽禁带压电材料。此外，团队开发的基于TiCoSb-[111]切型晶片的压电器件，在不同的施力大小和持续时间下均表现出稳定的电压响应，并能够持续为电容器充电。研究还发现，半赫斯勒材料在室温至1173K的温度范围内展现出优异的热稳定性，且其压电响应在该温度区间保持稳定。这些结果表明，半赫斯勒窄带半导体材料在压电领域具有重要的应用前景。 值得注意的是，窄带半导体的压电效应机制可能与传统离子位移型压电材料不同，这一实验结果为新型压电材料的设计和换能技术提供了新的思路。同时，窄带半导体通常具有显著的光电、热电效应，为开发压电-光电、压电-热电等多功能协同效应的电子器件提供了新的可能性。研究亮点
1.实验首次观察到半赫斯勒窄带半导体材料的压电效应，并成功制备了基于TiCoSb-[111]切型晶片的原型压电器件。通过对TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb三种半赫斯勒材料进行实验，首次在半赫斯勒窄带半导体中测得了显著的压电响应，验证了其在压电领域的潜力。2.实验通过准静态压电常数测试，测定了TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb的压电系数。通过测试得到这些材料的垂直压电应变常数，并根据剪切压电应变系数d14与垂直应变常数的关系，首次实验测定了它们的剪切压电应变系数，分别为8 pC/N、38 pC/N和33 pC/N，特别是ZrNiSn和TiCoSb的剪切压电系数较高，超越了传统宽禁带压电材料。 3.基于TiCoSb-[111]切型晶片的压电器件在不同施力条件下表现出稳定的电压响应。器件能够持续为电容器充电，展示出良好的压电性能。此外，实验还表明，半赫斯勒材料的压电响应在室温至1173K的广泛温度范围内保持稳定，表现出优异的热稳定性。4.实验发现，半赫斯勒窄带半导体的压电效应机制可能不同于传统离子位移型压电材料，这一发现为设计新型压电材料及其换能技术提供了新的思路。窄带半导体的光电、热电等效应也为开发多功能协同电子器件（如压电-光电、压电-热电器件）提供了新的可能性。图文解读
图2. [111]晶向切割单晶片的制备流程与压电系数分布图3. TiCoSb压电传感器的压力灵敏度测试及电容器充电实验结论展望
本文观察到PC和单晶半赫斯勒TiNiSn、ZrNiSn和TiCoSb中的直接压电效应。单晶ZrNiSn和TiCoSb的压电应变系数分别在室温下达到约38和33 pC/N，这在非中心对称非极性结构的材料中具有重要意义。作者在压电传感器中观察到的大幅压电响应，尤其是使用单晶TiCoSb [111]切型板演示的结果，凸显了它们在应用中的潜力。此外，良好的高温机械稳定性也突显了它们在先进压电器件和传感器中的适用性。具有非中心对称立方结构的半赫斯勒窄带隙半导体将这些晶体推向了潜在压电材料的前沿。半赫斯勒化合物中压电特性的成功实验观察为其在压电应用中的更广泛使用奠定了基础，并促进了窄带隙半导体中新型压电材料的探索。Yi Huang et al. ,Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductors.Science387,1187-1192(2025).DOI:10.1126/science.ads9584 纳米人学术QQ交流群
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