鈣鈦礦型弛豫鐵電薄膜巨電熱效應的起源機理及最佳化

《鈣鈦礦型弛豫鐵電薄膜巨電熱效應的起源機理及最佳化》是依託華東師範大學，由楊靜擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：鈣鈦礦型弛豫鐵電薄膜巨電熱效應的起源機理及最佳化
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：楊靜
• 依託單位：華東師範大學

項目摘要

最近發現鐵電薄膜具有巨大的電熱效應，使發展綠色固態致冷技術成為可能。然而，鐵電薄膜巨電熱效應起源機理尚不十分清楚，不利於鐵電致冷技術的發展。本項目研究結晶性、應力、有序度、界面、擇優取向、晶格畸變、缺陷、結構相變對鐵電薄膜電熱效應的影響；探索鐵電薄膜電熱效應與可能存在的相關極化機制動力學過程的相互關聯，特別是極化團簇／微區、場致偶極子定向排列、偶極子有序-無序轉變等局域極化特徵與電熱效應的關係；在此基礎上，利用外延生長、摻雜、引入緩衝層、構建多層膜等多種技術手段最佳化和調控鐵電薄膜電熱效應；建立熵變、絕對溫度的變化等表征電熱效應的物理量與電場之間的標度動力學關係，設計鐵電薄膜電熱致冷原型器件。本項目提出從極化機制理解鐵電薄膜的電熱效應，不僅為探索電熱效應起源機理提供了一個新的思路，並且可以建立鐵電薄膜電熱效應與相關極化機制之間的定量關係，為鐵電致冷器件設計提供重要的參考和指導。

結題摘要

鐵電薄膜的巨電熱效應使綠色固態致冷技術成為可能。所以研究鐵電薄膜電熱效應背後的起源機制可以為研製基於電場控制的鐵電致冷器件提供理論和實驗的依據。本項目從實驗和理論的角度在(Pb,Sr)TiO3、Bi4Ti3Fen−3O3n+3、BPST/LSMO、PbTiO3/SrTiO3、PVDF基等鐵電薄膜中獲得了摻雜、缺陷、應力失配、晶格取向、多層膜界面臨界層厚度和異質界面對鐵電、類弛豫鐵電薄膜電極化和電熱效應的影響規律，並通過上述手段最佳化了電熱效應，在鈣鈦礦(Pb,Sr)TiO3薄膜中最高獲得了近7 K的絕熱溫度變化；研究發現朗道二次項係數隨溫度變化而變化, 這表明納米極化微區和鐵電疇壁運動是電熱效應主要來源；初步獲得了若干典型鐵電薄膜（如PZT、PST、PVDF、PMN-PT）的電熱效應與電場之間滿足ΔT∝E1.1動力學標度關係而單疇BTO則滿足ΔT∝E0.66；發現了N離子注入BST薄膜、Bi4Ti3Fen−3O3n+3具有類弛豫鐵電特性，揭示了離子轟擊破壞化學鍵和B位陽離子隨機分布所導致的鐵電長程偶極子序向局域極化短程式過渡的物理過程，深入理解了局域短程極化序在交變電場激勵下介電和極化回響行為，從而為弛豫鐵電體電熱效應的起源提供關鍵科學信息；確立若干鐵電薄膜體系（如N離子注入BST、BTFO）缺陷特別是氧空位的產生、弛豫及遷移動力學過程和機制；同時，初步對多鐵材料的場致熵變進行了前期研究，成功製備了Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22和DyMnO3等材料，研究了其磁電耦合效應和磁熱效應。室溫下，Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22出現磁熵變峰，值為1.53 J Kg-1 K-1，且其發生磁熵變範圍很寬，可達300 K，所以其相對製冷功率可高達377 J Kg-1。在低溫下DyMnO3的磁熱熵變為9.8 J Kg-1 K-1。截止結題，已發表相關SCI文章17篇，其中在Applied Physics Letters上發表3篇、Journal of Applied Physics上發表7篇。項目培養博士後1名、博士生4名、碩士生2名。