铁电聚合物薄膜的电热效应

铁电材料的本质特征在于某一温度范围内自发极化的存在，且自发极化有两个或多个可能的取向，在电场作用下，其取向可以改变。如果绝热条件下在铁电材料上增加或减小一外电场会引起材料温度的变化，即电热效应。在本项目中我们将以铁电聚合物薄膜为研究对象，制备居里温度在室温附近并且具有大的铁电-顺电等温熵变的聚合物薄膜，研究薄膜厚度、基底材料、电场、掺杂以及不同的成分比对薄膜电热效应的影响。并且应用和发展唯象的Landau理论，通过拟合实验数据，得到聚合物薄膜的自由能表达式及其相关的物性参数，从宏观理论上研究聚合物薄膜的电热效应，同时运用基于局域密度泛函理论的第一性原理计算，从微观层面上研究聚合物薄膜的电热机制，进而解释相关的实验结果。本项目将紧密结合实验研究和理论研究，给电热效应显著的新型材料的设计提供重要的参考。

铁电材料由于在其居里温度附近具有极大的电热效应，可以为实际的制冷应用提供可行性。但是由于其居里温度较高，极大地限制了其在室温条件下的制冷应用。本项目以铁电聚合物薄膜为研究对象，利用溶胶－凝胶方法在玻璃和Si/SiO2/Ti/Pt基底上制备了P(VDF-TrFE)和P(VDF-TrFE-CTFE)聚合物薄膜，研究了基底和薄膜厚度对这两种聚合物薄膜电热效应的影响。同时运用唯象的朗道－德文希尔理论，研究了失配应变、外部应力以及不同薄膜之间的界面效应对聚合物薄膜电热效应的影响。通过实验发现沉积在玻璃上的聚合物薄膜不会出现铁电相。而且薄膜与基底之间产生的失配应变极大地影响着聚合物薄膜的电热效应。研究表明虽然压应变在一定程度上会减小聚合物薄膜的电热效应，但是它能极大地的减小聚合物薄膜的居里温度，这个结果与传统铁电材料的结果是相反的。另一方面，外部应力对体材料和薄膜材料聚合物电热效应的影响较大。对于体材料而言，张应力能极大地的减小材料的居里温度和电热效应，而对于薄膜材料而言，张应力对电热效应的减小不大，但是它能够很大程度上减小其居里温度。另外，研究还发现不同薄膜之间的耦合相互作用在不同电场的作用下对聚合物双层薄膜的室温电热效应有着不同的影响。