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科学研究
国防科大Nature Materials | 铁电制冷基础前沿领域重要进展
发布日期:2024-04-02 来源:国防科大微信公众号 作者: 王捷 访问量:

近日,yh533388银河理学院某团队在铁电制冷基础前沿研究领域取得重要进展,研究者首次在先兆型铁电体钛酸锶(SrTiO3)氧化物薄膜中实现了应变增强的电卡效应,在172 K至300 K温度区间范围内将体相材料的本征电卡效应提高一个数量级以上,在材料物理基础研究前沿和新型固态制冷技术领域具有科学意义和应用价值。该成果日前分别以长文“Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO3films”和简讯“Electrocaloric effects at a phase transition created by strain”的形式在国际顶级期刊《自然·材料》(影响因子41)上发表。

研究涉及的电卡效应(Electrocaloric effects)是材料在外加电场的作用下偶极子发生大小或取向的变化,从而产生等温熵变或绝热温变的一种热力学效应。作为一种新兴的固态制冷技术,电卡制冷在高效节能、环境友好、快速制冷、易于集成等方面具有诸多优势,并被认为是有望取代传统蒸汽压缩制冷的技术方案之一。然而天然材料中的电卡效应比较小、最佳工作温度也偏低或偏窄,限制了其在芯片原位热管理、红外制冷、航空航天等领域的应用。

外延薄膜的应变工程设计方案钛酸锶体材料(SrTiO3bulk)本身是一种先兆型铁电体或量子顺电体,仅在绝对零度附近有一定的电卡效应;研究团队通过脉冲激光沉积技术在钪酸镝(DyScO3)单晶衬底上外延生长出高质量钛酸锶(SrTiO3)薄膜,在获得近室温铁电性的同时,将其相变温度(TC= 243 K)附近的电卡效应提高了几十倍至上百倍,并与朗道(Landau)理论计算的结果相符合。该研究提出的通过外延应变增强钙钛矿氧化物薄膜电卡效应的方案,为拓展电卡材料研究体系提供了新思路,也为未来“高效节能、环保便捷”的新型制冷技术提供了重要参考。

外延薄膜的结构表征、铁电特性与电卡增强效应该研究受到国家自然科学基金和国家留学基金的资助,由我校与剑桥大学、北京科技大学等国内外多所高校和研究机构共同合作完成。yh533388银河为第一作者单位、理学院张森副教授为论文第一作者兼通讯作者;剑桥大学材料系Neil Mathur教授、Xavier Moya教授,哥斯达黎加大学材料科学与工程研究中心Gain Guzmán-Verri教授为共同通讯作者;其他合作者还包括北京科技大学材料基因工程高精尖创新中心邓世清特聘教授,格拉斯哥大学詹姆斯·瓦特工程学院井庆深助理教授等。