钙钛矿型弛豫铁电薄膜巨电热效应的起源机理及优化

最近发现铁电薄膜具有巨大的电热效应，使发展绿色固态致冷技术成为可能。然而，铁电薄膜巨电热效应起源机理尚不十分清楚，不利于铁电致冷技术的发展。本项目研究结晶性、应力、有序度、界面、择优取向、晶格畸变、缺陷、结构相变对铁电薄膜电热效应的影响；探索铁电薄膜电热效应与可能存在的相关极化机制动力学过程的相互关联，特别是极化团簇／微区、场致偶极子定向排列、偶极子有序-无序转变等局域极化特征与电热效应的关系；在此基础上，利用外延生长、掺杂、引入缓冲层、构建多层膜等多种技术手段优化和调控铁电薄膜电热效应；建立熵变、绝对温度的变化等表征电热效应的物理量与电场之间的标度动力学关系，设计铁电薄膜电热致冷原型器件。本项目提出从极化机制理解铁电薄膜的电热效应，不仅为探索电热效应起源机理提供了一个新的思路，并且可以建立铁电薄膜电热效应与相关极化机制之间的定量关系，为铁电致冷器件设计提供重要的参考和指导。

铁电薄膜的巨电热效应使绿色固态致冷技术成为可能。所以研究铁电薄膜电热效应背后的起源机制可以为研制基于电场控制的铁电致冷器件提供理论和实验的依据。本项目从实验和理论的角度在(Pb,Sr)TiO3、Bi4Ti3Fen−3O3n+3、BPST/LSMO、PbTiO3/SrTiO3、PVDF基等铁电薄膜中获得了掺杂、缺陷、应力失配、晶格取向、多层膜界面临界层厚度和异质界面对铁电、类弛豫铁电薄膜电极化和电热效应的影响规律，并通过上述手段优化了电热效应，在钙钛矿(Pb,Sr)TiO3薄膜中最高获得了近7 K的绝热温度变化；研究发现朗道二次项系数随温度变化而变化, 这表明纳米极化微区和铁电畴壁运动是电热效应主要来源；初步获得了若干典型铁电薄膜（如PZT、PST、PVDF、PMN-PT）的电热效应与电场之间满足ΔT∝E1.1动力学标度关系而单畴BTO则满足ΔT∝E0.66；发现了N离子注入BST薄膜、Bi4Ti3Fen−3O3n+3具有类弛豫铁电特性，揭示了离子轰击破坏化学键和B位阳离子随机分布所导致的铁电长程偶极子序向局域极化短程序过渡的物理过程，深入理解了局域短程极化序在交变电场激励下介电和极化响应行为，从而为弛豫铁电体电热效应的起源提供关键科学信息；确立若干铁电薄膜体系（如N离子注入BST、BTFO）缺陷特别是氧空位的产生、弛豫及迁移动力学过程和机制；同时，初步对多铁材料的场致熵变进行了前期研究，成功制备了Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22和DyMnO3等材料，研究了其磁电耦合效应和磁热效应。室温下，Ba0.5Sr1.5Zn2Fe12O22出现磁熵变峰，值为1.53 J Kg-1 K-1，且其发生磁熵变范围很宽，可达300 K，所以其相对制冷功率可高达377 J Kg-1。在低温下DyMnO3的磁热熵变为9.8 J Kg-1 K-1。. 截止结题，已发表相关SCI文章17篇，其中在Applied Physics Letters上发表3篇、Journal of Applied Physics上发表7篇。项目培养博士后1名、博士生4名、硕士生2名。