钙钛矿结构弛豫铁电体的电卡效应理论研究

Perovskite relaxor ferroelectrics are a special kind of functional material. They have been extensively studied due to their important properties of large dielectric constant, piezoelectric coefficient and electrostrictive effect, which make them key materials of electronic devices such as electro-optic storage, energy conversion, and the memory element. But for the moment, fewer investigations about electrocaloric effects have been performed in the relaxor ferroelectrics, the current research needs to be further deepened. In this project, we will investigate the electrocaloric effects in the prototypical perovskite relaxor ferroelectrics PbMg1/3Nb2/3O3 and Ba(Zr0.5Ti0.5)O3 using an effective Hamiltonian method, and clarify its origin from the microscopic scale. In addition, we will develop the effective Hamiltonian based molecular dynamics programs to investigate the electrocaloric effects of temperatures under the nonergodic conditions in relaxor ferroelectrics. Finally, from the micro-perspective and based on the Landau-like model to understand and explain the electrocaloric behavior of the perovskite relaxor ferroelectrics. This project has an important theoretical significance for discovering new solid-state cooling materials, which will make progress in the realistic application of relaxor ferroelectric materials in the refrigeration field.

具有钙钛矿结构的弛豫铁电体是一类非常重要的功能材料。这类材料由于其较大的介电常数、压电系数和电致伸缩效应等诸多重要性质而被广泛地研究，使其成为电光存储、能量转换和记忆元件等电子器件的关键材料。但目前关于电卡效应在弛豫铁电体中的研究还非常少，该方面的研究还需要进一步深入。本项目拟采用有效哈密顿量方法来研究典型钙钛矿弛豫铁电体PbMg1/3Nb2/3O3和Ba(Zr0.5Ti0.5)O3中的电卡效应，并从微观尺度上阐明其电卡效应的产生机理。此外，我们将发展基于有效哈密顿量方法的分子动力学程序，研究弛豫铁电体在非遍历性温度下的电卡效应。最后，从微观角度出发并利用朗道类似的模型来理解并解释钙钛矿结构弛豫铁电体中的电卡行为。该项目对发现新的固体制冷材料具有重要的理论意义，将进一步推动弛豫铁电体材料在制冷领域的实际应用。

本项目以钙钛矿结构的弛豫铁电体和多铁性材料作为具体研究对象，通过原子的有效哈密顿量方法研究了弛豫铁电体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3和稀土取代多铁材料BiFeO3中的电卡效应。研究发现在弛豫铁电体Pb(Mg1/3Nb2/3)O3中存在一个临界点，该临界点附近能够产生巨大的电卡响应。我们同时还提出了一个现象学模型来解释有效哈密顿量得到的结果。通过模型可以发现，弛豫铁电体和多铁材料中的电卡系数由不同的部分组成，例如多铁材料Bi1−xNdxFeO3中的电卡系数由两部分组成，包含极化、介电响应、反铁磁序参量以及极化和反铁磁序之间的相互耦合。其中，第一部分依赖于极化和介电极化率，在铁电居里温度附近电卡系数会显著增大；第二部分包含介电响应、磁序参量和一个特殊的磁电耦合，在Néel温度处会出现一个峰值。此外，我们还研究了弛豫铁电体Ba(Zr0.5Ti0.5)O3中的能量存储，提出了一个现象学模型理解并解释了超高能量密度和效率出现的起源，该模型可以应用到其他弛豫铁电体和非线性介电材料。在项目的资助下，项目负责人共发表SCI论文6篇，主要发表Phys. Rev. Lett.和 Phys. Rev. B等顶级物理期刊上。在国际国内会议上作报告3次。该项目的开展不仅加深人们对电卡效应和能量存储的认识，而且将进一步推动弛豫铁电体和多铁性材料在固体制冷和储能领域的实际应用。