傳統(tǒng)蒸氣壓縮循環(huán)冷卻技術(shù)中使用的制冷劑是導(dǎo)致氣候惡化的主要原因之一。面向生態(tài)環(huán)保和能源節(jié)約的迫切需求，探索低成本、高效率和高能量密度的新型環(huán)保制冷材料成為研究的重點(diǎn)與熱點(diǎn)。基于電卡效應(yīng)（ECE）的固態(tài)制冷技術(shù)高效節(jié)能、環(huán)境友好、快速制冷、易于集成等諸多優(yōu)勢(shì)，有望在集成電路、醫(yī)療設(shè)備和傳感器等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。目前，最優(yōu)的制冷電介質(zhì)仍需超高外加電場(chǎng)激發(fā)制冷效果，極易造成材料老化與擊穿。實(shí)現(xiàn)陶瓷材料的復(fù)合優(yōu)化，探索兼顧大的溫變、低驅(qū)動(dòng)場(chǎng)強(qiáng)、寬工作溫區(qū)的電卡材料成為該領(lǐng)域的難點(diǎn)與挑戰(zhàn)。

基于以上難題，西安交通大學(xué)電信學(xué)部電子科學(xué)與工程學(xué)院靳立教授團(tuán)隊(duì)，通過將B位完全有序的Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃反鐵電陶瓷材料和PbTiO₃鐵電端元相結(jié)合，設(shè)計(jì)并順利制備出Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃（PLN-xPT）的一系列固溶體陶瓷，實(shí)現(xiàn)了對(duì)該體系陶瓷微觀結(jié)構(gòu)與相變行為的精準(zhǔn)調(diào)控。相場(chǎng)模擬揭示了組分固溶對(duì)極化的貢獻(xiàn)，預(yù)測(cè)了電場(chǎng)/溫度誘導(dǎo)的鐵電-反鐵電-順電相（FE-AFE-PE）連續(xù)演變行為和微觀結(jié)構(gòu)演變。綜合結(jié)構(gòu)分析和直接測(cè)量法驗(yàn)證了x= 0.16組分的卓越ECE性能，包括3.03 K的大溫變（?T），20 kV cm^–1電場(chǎng)下0.08 K cm kV^–1的超高ECE強(qiáng)度，及31 °C的寬工作溫區(qū)（T_span），在無鉛和鉛基電卡陶瓷中具有很強(qiáng)的競(jìng)爭(zhēng)力。這種新型的設(shè)計(jì)策略和優(yōu)化機(jī)制將指導(dǎo)高性能電卡材料的設(shè)計(jì)，并將促進(jìn)基于電卡效應(yīng)的下一代制冷系統(tǒng)的發(fā)展。

圖1. Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃陶瓷體系的設(shè)計(jì)思路與電卡制冷循環(huán)示意圖

該研究工作近日以《通過連續(xù)相變?cè)O(shè)計(jì)揭示低電場(chǎng)下的超高電卡效應(yīng)》（Unveiling a giant electrocaloric effect at low electric fields through continuous phase transition design）為題發(fā)表于國際著名期刊《Advanced Powder Materials》上。

此外，相關(guān)系列研究工作以《提高B位復(fù)合反鐵電體的室溫電卡性能：一種協(xié)同設(shè)計(jì)方法》（Boosting room-temperature electrocaloric performance in B-site complex antiferroelectrics: A synergistic design approach）為題發(fā)表在國際材料領(lǐng)域權(quán)威期刊《Acta Materialia》上。

以《多相變?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鐵電材料中的卓越電卡性能和超弱電致伸縮響應(yīng)》（Engineering multiphase phase transitions for exceptional electrocaloric performance and ultraweak electrostrictive response in ferroelectrics）為題發(fā)表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

該三項(xiàng)工作皆以西安交通大學(xué)為唯一通訊單位，電信學(xué)部電子學(xué)院博士生黃韻堯?yàn)榈谝蛔髡撸靼步煌ù髮W(xué)電子學(xué)院靳立教授和材料學(xué)院柯小琴教授為共同通訊作者。該研究工作得到了國家自然科學(xué)基金、陜西省重點(diǎn)研發(fā)國際合作項(xiàng)目等項(xiàng)目的資助。西安交通大學(xué)分析測(cè)試中心提供了相關(guān)測(cè)試表征支持。

論文鏈接：

1.通過連續(xù)相變?cè)O(shè)計(jì)揭示低電場(chǎng)下的超高電卡效應(yīng)（Unveiling a giant electrocaloric effect at low electric fields through continuous phase transition design）https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100225

2.提高B位復(fù)合反鐵電體的室溫電卡性能：一種協(xié)同設(shè)計(jì)方法（Boosting room-temperature electrocaloric performance in B-site complex antiferroelectrics: A synergistic design approach）https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120177

3.多相變?cè)O(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)鐵電材料中的卓越電卡性能和超弱電致伸縮響應(yīng)（Engineering multiphase phase transitions for exceptional electrocaloric performance and ultraweak electrostrictive response in ferroelectrics）https://doi.org/10.1021/acsami.4c09282

來源：西安交通大學(xué)

原文鏈接：https://news.xjtu.edu.cn/info/1219/213376.htm

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