材料力學的應變工程被業(yè)界稱為“點石成金”術，其重要手段之一就是通過脈沖激光沉積技術，在某種襯底上外延生長另外一種薄膜材料，從而實現(xiàn)由晶胞結構失配帶來的外延應變。
國防科技大學理學院研究團隊與國內(nèi)外多所高校和研究機構合作，受“點石成金”術啟發(fā)，首次在先兆型鐵電體鈦酸鍶氧化物薄膜中實現(xiàn)了應變增強的電卡效應，使體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率提高10倍以上，在居里溫度（243K）附近制冷效率甚至可提高近百倍。該成果日前分別以長文和研究簡報形式發(fā)表于《Nature Materials》，并被選為封面文章。
制冷技術是人類文明進程中最重要的發(fā)明之一，也是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中必不可少的技術。近百年來，蒸汽壓縮式制冷技術一直占據(jù)著空調(diào)、冰箱等制冷市場的主體地位。
氫氟烴是蒸汽壓縮式制冷技術的核心制冷劑，但其在生產(chǎn)、使用、廢棄過程中的泄漏導致了不可逆的臭氧層破壞和溫室氣體排放。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的能效和制冷功率密度低、體積和噪聲大、不利于集成等問題，限制了其在電子、醫(yī)療、新能源汽車等領域的應用。
“業(yè)界一直在研發(fā)新興制冷技術。電卡制冷具有高效節(jié)能、環(huán)境友好、快速制冷等諸多優(yōu)勢，是有望取代傳統(tǒng)氣體壓縮技術的制冷方案之一?！?/span>論文第一作者兼通訊作者、國防科技大學副教授張森表示，目前如何實現(xiàn)更大的電卡效應、更寬的工作溫度等仍具有挑戰(zhàn)性。
何為電卡效應？張森解釋，它是材料在外加電場作用下電偶極子發(fā)生有序、無序的轉化，從而產(chǎn)生熱力學熵或溫度變化的一種效應。“微觀世界中的電偶極子就像一群活潑可愛的小朋友，在‘下課’——沒有電場時自由活動，有序度低；在‘上課’即有電場時坐在座位上，有序度高。”張森說，這種秩序的高低或混亂程度的高低就是熵，與熱量或溫度相關聯(lián)，因此電場的變化帶來微觀偶極子有序程度的變化，并進一步帶來熱力學熵或溫度的變化，從而實現(xiàn)制熱或制冷。
張森介紹，尋找更高電卡效應的新材料或提高現(xiàn)有材料的電卡性能，是未來研發(fā)基于電卡制冷新型器件的關鍵環(huán)節(jié)。鈦酸鍶材料是一種被稱為“先兆型鐵電體”或“量子順電體”的材料，只在接近絕對零度（-273℃）時才展現(xiàn)出鐵電性或電卡制冷效應。那么，如何讓鈦酸鍶發(fā)揮更強的電卡效應？
近日，國防科技大學張森、劍橋大學G.G.Guzman-Verri，X. Moya，N.D. Mathur團隊針對如何讓鈦酸鍶發(fā)揮更強的電卡效應取得最新進展。該文通過使用優(yōu)化定向的交叉指狀表面電極來研究低損耗外延SrTiO3薄膜的外部熱效應，該薄膜靠近由DyScO3襯底的雙軸平面內(nèi)相干拉伸應變產(chǎn)生的寬二階243k鐵電相變。在包括室溫在內(nèi)的廣泛溫度范圍內(nèi)，我們的外在電熱效應比塊狀SrTiO3中的相應效應大一個數(shù)量級，并且與一階躍遷相關的電熱效應不同，它們在單極電場中是高度可逆的。此外，如果沿平面內(nèi)<100>方向設置低溫零場極化，則應變SrTiO3薄膜的正則朗道描述是有效的。未來，類似的應變工程可以用于其他薄膜，多層和大塊樣品，以增加節(jié)能冷卻的電熱材料的范圍。研究成果以“Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO3 films”為題發(fā)表于《Nature Materials》期刊。
研究團隊反復驗證推敲，最終通過脈沖激光沉積技術在鈧酸鏑單晶襯底上外延生長出高質(zhì)量鈦酸鍶薄膜，使鈦酸鍶固有的電卡效應在172K至300K溫度區(qū)間提高10倍以上，在243K附近達到上百倍的增強效應。這意味著原來的體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率被提高了10倍以上，離實際應用更近一步?！拔覀兲岢龅膽冊鰪姺桨甘且环N新思路，可較好地避免漏電、器件擊穿損壞等問題，但這也對薄膜生長工藝提出了更高的要求?！?/span>張森表示，研究提出的通過外延應變增強鈣鈦礦氧化物薄膜電卡效應方案，為拓展電卡材料研究體系提供了新思路，也為未來高效節(jié)能、環(huán)保便捷的新型制冷技術提供了重要參考。
03 圖文導讀
圖1.在DSO (110)o襯底上拉伸STO (001)薄膜。 圖3. STO//DSO的表面和截面圖像。
圖5. STO薄膜的電極化。
圖6.應變STO薄膜中的EC效應。
團隊的研究成果離應用還有多遠？張森說，目前電卡效應在國際上已有部分應用，目標也很明確，就是打造低碳、環(huán)保的新型制冷技術。“我們的這項研究成果雖然增強效應強，但鈦酸鍶本身的效應太弱，最終增強后的電卡效應也不是很高，離實際應用可能還有比較長的距離。樂觀估計，或許未來5至10年其有望在紅外制冷、芯片原位熱管理等領域得到初步應用?！?/span>
諾貝爾物理學獎獲得者K. Alex Muller稱鈦酸鍶是“固體物理中的果蠅”，很多重要的固體物理現(xiàn)象都是從該材料上發(fā)現(xiàn)的，甚至其中還有一些至今尚未被完全理解的現(xiàn)象。
“目前來看，本研究的價值更多體現(xiàn)在給物理以及材料科學帶來的啟示意義上。我們的研究以鈦酸鍶為范本，從物理上證明了外延應變是增強現(xiàn)有材料電卡效應的有效方案，可啟發(fā)更多相關研究工作，從而促進無機電卡效應研究的發(fā)展與進步。”張森表示。
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