【复材信息】高温不衰，自供电启航，压电材料进展很大！

03-20 06:30

科学背景

压电材料作为机械能和电能相互转换的核心功能材料，长期以来主要集中在锆钛酸铅等非中心对称绝缘或宽带间隙半导体领域。（PZT）瓷器和石英（SiO₂）。这种材料虽然有高压电系数(例如PZT的33d33超过100000) pC/N），但是它依靠外部电场诱导极化，在高温下容易发生变化或性能下降，限制了极端环境下的应用。同时，窄带隙半导体(带隙半导体)<0.5 eV）因高导电性（如α-GeTe的导电性达5×10⁵ S/m）造成电荷迅速逸散，难以积累稳定的压电电压，相关研究长期停滞。半赫斯勒（HH）化合物作为一类具有立方非中心对称非极性构造（空间群F̄43m）的窄带隙半导体，其独特的晶体构型（XYZ原子占据不同面心立方亚晶格）和18价电子规则赋予其优异机械强度（弹性模具>200 GPa）、具有热电性能和潜在压电特性。尽管理论上预测，一些HH化合物(如VFeSb)的切割压电系数可以达到100。 pC/N，但是实验证明由于导电性能高(~10⁴ S/m）影响力从未突破，成为该领域的关键空白。这项研究首次在TiNiSnni上进行了精密单晶制备和电荷积累控制。、在TiCoSb中，ZrNiSn和TiCoSb完成了压电效应的实验观测，弥补了这一空白。

创新成果

今天，浙江大学朱铁军、黄玉辉、付晨光课题组，选择自熔法成功生长出毫米级优质单晶TiNiSni、ZrNiSn和TiCoSb，FF是由劳厄衍射和同步辐射XRD确定的。̄43m空间群结构和[111]选择最佳方向。单晶ZrNiSn和TiCoSb的裁剪压电应变指数44d44采用准静态法测量，各高达38和3333 pC/N，超越传统的非极性材料(例如GaSb的2.9 pC/N和SiO₂的2.3 pC/N），甚至接近一些极性压电陶瓷(例如BaTiO₃数百个pC//N）。实验表明，尽管HH材料具有导电性(~10⁴ S/m）远远高于传统的压电材料(例如PZT~10⁻⊃1;⁵ S/m），但是，在非极性结构中[111]方向的三重旋转对称仍然可以有效地分离电荷，形成稳定的压电响应。在22.6的基础上进一步设计了TiCoSb单晶压电传感器在压力下导出0.2 通过桥式整流电路，mv开路电压为1。将mF电容充电到2.55 mV，对实际能量收集能力进行验证。根据高温试验，11733三种设备 K压电系数保持稳定(例如TiCoSb的44d44单从333 pC/N降到23 pC/N），由于其宽温区的机械稳定性(弹性模具>210)，没有变化或分解。 GPa）导电性能(半导体行为)取决于弱温度。对比理论计算和实验值(例如ZrNiSn的实验44d44) pC/N，理论仅1.5 pC/N）透露晶体缺陷(如间隙原子或反位缺陷)可通过局部极化增强压电响应，为缺陷工程优化指导方向。有关论文名称为“Piezoelectricity in half-Heusler narrow-bandgap semiconductorsScience上发表了一篇论文。

数据概况

科学启发

这项研究的突破证实了半赫斯勒窄带隙半导体作为非极性压电材料的可行性，其高温稳定性(至1173 K）、高机械强度和适中压电系数(30-40 pC/N）协同特性为极端环境(如航天工程引擎监测、核反应堆传感)和高频电子设备(如表面声波滤波器)提供了新的材料选择。未来的研究可以从多个维度深化:第一，压电系数可以通过缺陷工程进一步提高(如调整4d位置或引入混合物)；二是扩展HH化合物系统(如含有稀有元素的ScNiSb或磁性成分的VFeSb)，探索压电-磁电藕合等多功能特性；第三，开发低成本多晶HH薄膜技术，促进其在柔性电子或物联网传感器中的集成应用。另外，结合HH材料本征窄带间隙的特点，有望实现光-热-电-力多场耦合器件，为自供电系统和智能材料开辟全新的道路。虽然单晶体的生长难度和高导电性仍然是当前的挑战，但这项研究为窄带间隙半导体压电材料的研发奠定了理论和实验基石，这意味着一种新型高性能压电材料的兴起。

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