Energy & Environmental Science：相变诱导无铅弛豫铁电薄膜中巨大的负电卡效应

【前言】

具备大的正/负电卡效应的铁电/反铁电薄膜或厚膜材料在商业化芯片级制冷器件的设计上起着至关重要的作用。近年来，铁电薄膜中大的正电卡效应的突破在诸多成分体系中已屡见报道，一般常见于锆钛酸铅（PZT）为代表的铅基铁电或反铁电薄膜材料中。对于正电卡效应，其电卡制冷温度或熵的变化一般随着电场的增加而增加。相比之下，目前已报道的负电卡效应的获得一般处于一个适中的电场之下，当超过一定电场后，其电卡制冷温度变化绝对值将随着电场的增加而减少，从而限制和导致其总的绝对值较低，远小于目前已报道的正电卡效应值。

【成果简介】

近日广西大学纳米能源研究中心的彭彪林教授与英国克兰菲尔德大学的Q. Zhang教授、香港理工大学的黄海涛教授、广西大学的邹炳锁教授和孙文红教授、南京邮电大学的白刚副教授、利兹大学的Steven J. Milne教授以及中国科学院北京纳米能源系统与研究所的王中林院士等通过电场诱导薄膜材料面外发生相变（纳米级的四方/正交铁电相向三方铁电相发生转变），见图1。在0.5(Ba_0.8Ca_0.2)TiO₃-0.5Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃无铅弛豫铁电薄膜中首次成功实现可与文献所报道最大正电卡效应值相媲美的巨大负电卡效应，其最大温度变化值高达45度，见图2。研究成果以“Phase-transition induced giant negative electrocaloric effect in a lead-free relaxor ferroelectric thin film” 为题发表于国际顶尖学术期刊《Energy & Environmental Science》（2018年最新公布影响因子为30.067）。彭彪林教授为该文的第一作者，广西大学为第一作者单位。

图1电场诱导薄膜材料面外发生相变

图20.5(Ba_0.8Ca_0.2)TiO₃-0.5Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃无铅弛豫铁电薄膜中巨大的负电卡效应

利用这一巨大的负电卡效应并结合正电卡效应，将使得铁电薄膜材料在芯片级电子元器件（如CPU等）等固态制冷技术中的制冷效率得到极大的提高，单个制冷循环内所施加电场方向无须交替改变；相比之下，利用单一的正电卡效应进行制冷，在单个制冷循环内则需要施加交变电场。这一研究成果的突破将为固态电卡制冷器件的设计和制备提供新的技术路径，有望解决电子元器件因其发热问题而导致性能下降和恶化问题。

该研究工作得到了国家自然科学基金、广西自然科学基金杰出青年基金、广西百人计划、广西自然科学留学回国重点基金、广西大学相对论天体物理重点实验室等的共同资助。

论文链接：

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

本文由广西大学纳米能源研究中心供稿。

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