近期，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)院固體所功能材料物理與器件研究部尹利華副研究員等采用新調(diào)控思路實(shí)現(xiàn)了大電卡效應(yīng)，提出一種調(diào)控材料電卡效應(yīng)的新策略，通過設(shè)計(jì)陽離子尺寸無序、構(gòu)型熵?zé)o序等提高材料的晶格無序度，進(jìn)而改善并獲得大的電卡效應(yīng)。相關(guān)工作相繼發(fā)表于Journal of Alloys and Compounds，Ceramics International和Applied?Physics?Letters等期刊上。

近年來，全球制冷行業(yè)的用電需求迅速增長，我國制冷用電量已占到全社會(huì)用電量的15%以上。而目前制冷行業(yè)中最廣泛應(yīng)用的仍然是氣體壓縮制冷技術(shù)，其普遍使用了具有嚴(yán)重溫室效應(yīng)的氫氟碳化物氣體制冷劑。實(shí)施綠色高效制冷才是實(shí)現(xiàn)節(jié)能減排、低碳環(huán)保的有效途徑之一。電卡制冷技術(shù)因其理論能效高、器件集成度高、噪音低、無有害氣體排放，且易于小型化/輕量化，成為新型重要的前瞻制冷技術(shù)之一。電卡制冷技術(shù)是利用固態(tài)電介質(zhì)中電偶極子在外電場下有序-無序的可逆轉(zhuǎn)變實(shí)現(xiàn)制冷循環(huán)。但如何提升電介質(zhì)材料在外加電場下的電致熵變和絕熱溫變?nèi)匀皇请娍☉?yīng)用領(lǐng)域亟需攻克的難題之一。

目前針對(duì)電卡制冷微觀機(jī)理仍缺乏深入研究，且實(shí)驗(yàn)上對(duì)材料電卡效應(yīng)的調(diào)控效果有限，調(diào)控手段僅限于多相共存、有機(jī)無機(jī)復(fù)合及弛豫鐵電等。基于此，尹利華副研究員近年來一直致力于電卡效應(yīng)的微觀機(jī)理及其調(diào)控策略研究，以期獲得性能優(yōu)異的電卡制冷材料。研究人員通過引入晶格無序等新策略，深入并系統(tǒng)地研究了陽離子尺寸無序(即σ²?=?∑_ix_ir_i²?-?<r_AB>²)以及構(gòu)型熵?zé)o序(即?S_config?=?-R∑^N_i=1x_i?ln?x_i)對(duì)BaTiO3基電卡材料的晶體結(jié)構(gòu)及鐵電、介電及電卡效應(yīng)等物性的影響，揭示了陽離子尺寸無序(J. Alloys Compd. 915, 165433 (2022))以及構(gòu)型熵?zé)o序(Ceram. Int. 50, 19613 (2024))對(duì)材料電卡效應(yīng)的調(diào)控規(guī)律和微觀調(diào)控機(jī)理，部分結(jié)果如圖1所示。

在此基礎(chǔ)之上，研究人員進(jìn)一步利用離子尺寸無序與構(gòu)型熵?zé)o序之間的競爭調(diào)控材料的晶格畸變，在BaTiO3體系中實(shí)現(xiàn)了最佳的電卡性能，利用直接法測得其在ΔE=60 kV/cm電壓下最大絕熱溫變?chǔ)達(dá)到了~0.80 K，并且在~22?K的較大溫度范圍內(nèi)仍可保持最佳性能的90%，如圖2所示。相關(guān)研究結(jié)果以“Large electrocaloric effect by disorder regulated structure in BaTiO3-based system”為題發(fā)表于國際SCI期刊Applied?Physics?Letters?(Appl. Phys. Lett. 125, 192902 (2024))上，固體所博士生謝磊為該論文第一作者，尹利華副研究員為論文通訊作者。

以上研究工作得到國家自然科學(xué)基金的資助。

文章鏈接：https://doi.org/10.1063/5.0227301

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2024.03.079

文章鏈接：https://doi.org/10.1016/j.jallcom.2022.165433

圖1.?Ba_xSr_yCa_z(Bi_0.5Li_0.5)_1-x-yO₃系列陶瓷中構(gòu)型無序熵及電卡絕熱溫變隨組分的變化。

圖2.?BaTi_1-x-ySn_xZr_yO₃陶瓷在x=0.04時(shí)的絕熱溫變隨溫度和外加電場的變化。

來源：中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所

原文鏈接：http://www.issp.cas.cn/gts/xwzx/kyjz/202411/t20241106_807118.html

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