Energy & Environmental Science：相變誘導無鉛弛豫鐵電薄膜中巨大的負電卡效應

【前言】

具備大的正/負電卡效應的鐵電/反鐵電薄膜或厚膜材料在商業化芯片級制冷器件的設計上起著至關重要的作用。近年來，鐵電薄膜中大的正電卡效應的突破在諸多成分體系中已屢見報道，一般常見于鋯鈦酸鉛（PZT）為代表的鉛基鐵電或反鐵電薄膜材料中。對于正電卡效應，其電卡制冷溫度或熵的變化一般隨著電場的增加而增加。相比之下，目前已報道的負電卡效應的獲得一般處于一個適中的電場之下，當超過一定電場后，其電卡制冷溫度變化絕對值將隨著電場的增加而減少，從而限制和導致其總的絕對值較低，遠小于目前已報道的正電卡效應值。

【成果簡介】

近日廣西大學納米能源研究中心的彭彪林教授與英國克蘭菲爾德大學的Q. Zhang教授、香港理工大學的黃海濤教授、廣西大學的鄒炳鎖教授和孫文紅教授、南京郵電大學的白剛副教授、利茲大學的Steven J. Milne教授以及中國科學院北京納米能源系統與研究所的王中林院士等通過電場誘導薄膜材料面外發生相變（納米級的四方/正交鐵電相向三方鐵電相發生轉變），見圖1。在0.5(Ba_0.8Ca_0.2)TiO₃-0.5Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃無鉛弛豫鐵電薄膜中首次成功實現可與文獻所報道最大正電卡效應值相媲美的巨大負電卡效應，其最大溫度變化值高達45度，見圖2。研究成果以“Phase-transition induced giant negative electrocaloric effect in a lead-free relaxor ferroelectric thin film”?為題發表于國際頂尖學術期刊《Energy & Environmental Science》（2018年最新公布影響因子為30.067）。彭彪林教授為該文的第一作者，廣西大學為第一作者單位。

圖1?電場誘導薄膜材料面外發生相變

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圖2?0.5(Ba_0.8Ca_0.2)TiO₃-0.5Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃無鉛弛豫鐵電薄膜中巨大的負電卡效應

利用這一巨大的負電卡效應并結合正電卡效應，將使得鐵電薄膜材料在芯片級電子元器件（如CPU等）等固態制冷技術中的制冷效率得到極大的提高，單個制冷循環內所施加電場方向無須交替改變；相比之下，利用單一的正電卡效應進行制冷，在單個制冷循環內則需要施加交變電場。這一研究成果的突破將為固態電卡制冷器件的設計和制備提供新的技術路徑，有望解決電子元器件因其發熱問題而導致性能下降和惡化問題。

該研究工作得到了國家自然科學基金、廣西自然科學基金杰出青年基金、廣西百人計劃、廣西自然科學留學回國重點基金、廣西大學相對論天體物理重點實驗室等的共同資助。

論文鏈接：

https://pubs.rsc.org/en/content/articlepdf/2019/EE/C9EE00269C

本文由廣西大學納米能源研究中心供稿。

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