【儀表網 研發快訊】近期，中國科學院合肥物質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控思路實現了大電卡效應，提出一種調控材料電卡效應的新策略，通過設計陽離子尺寸無序、構型熵無序等提高材料的晶格無序度，進而改善并獲得大的電卡效應。相關工作相繼發表于Journal of Alloys and Compounds，Ceramics International和Applied Physics Letters等期刊上。
近年來，全球制冷行業的用電需求迅速增長，我國制冷用電量已占到全社會用電量的15%以上。而目前制冷行業中最廣泛應用的仍然是氣體壓縮制冷技術，其普遍使用了具有嚴重溫室效應的氫氟碳化物氣體制冷劑。實施綠色高效制冷才是實現節能減排、低碳環保的有效途徑之一。電卡制冷技術因其理論能效高、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之一。電卡制冷技術是利用固態電介質中電偶極子在外電場下有序-無序的可逆轉變實現制冷循環。但如何提升電介質材料在外加電場下的電致熵變和絕熱溫變仍然是電卡應用領域亟需攻克的難題之一。
目前針對電卡制冷微觀機理仍缺乏深入研究，且實驗上對材料電卡效應的調控效果有限，調控手段僅限于多相共存、有機無機復合及弛豫鐵電等。基于此，尹利華副研究員近年來一直致力于電卡效應的微觀機理及其調控策略研究，以期獲得性能優異的電卡制冷材料。研究人員通過引入晶格無序等新策略，深入并系統地研究了陽離子尺寸無序(即σ2 = ∑ixiri2 - 2)以及構型熵無序(即?Sconfig = -R∑Ni=1xi ln xi)對BaTiO3基電卡材料的晶體結構及鐵電、介電及電卡效應等物性的影響，揭示了陽離子尺寸無序(J. Alloys Compd. 915, 165433 (2022))以及構型熵無序(Ceram. Int. 50, 19613 (2024))對材料電卡效應的調控規律和微觀調控機理，部分結果如圖1所示。
在此基礎之上，研究人員進一步利用離子尺寸無序與構型熵無序之間的競爭調控材料的晶格畸變，在BaTiO3體系中實現了最佳的電卡性能，利用直接法測得其在ΔE=60 kV/cm電壓下最大絕熱溫變ΔT達到了~0.80 K，并且在~22 K的較大溫度范圍內仍可保持最佳性能的90%，如圖2所示。相關研究結果以“Large electrocaloric effect by disorder regulated structure in BaTiO3-based system”為題發表于國際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基金的資助。
圖1. BaxSryCaz(Bi0.5Li0.5)1-x-yO3系列陶瓷中構型無序熵及電卡絕熱溫變隨組分的變化。
圖2. BaTi1-x-ySnxZryO3陶瓷在x=0.04時的絕熱溫變隨溫度和外加電場的變化。
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