含电极的铁电材料微结构演化及其大电卡效应

The electrocaloric effect (ECE) of ferroelectrics have important applications in the field of micro-electronics refrigeration system. As an important part of smart device, the electrode generates electric field concentration on the tip under the applied electric loading, which has an important influence on the ferroelectric behavior and its effect. Therefore, by phase field simulation and experiment research, this project aims to reveal the effect of electrodes on the electric field, stress field, ferroelectric domain structure evolution, and ECE of ferroelectrics under applied electric loading. It is a multidisciplinary system that integrates the researches involving mechanics, material science and condensed matter physics. It is also a multi-scale simulation of macroscopic material properties, mechanical properties and microstructure evolution. The innovative point of this project is to reveal the mechanism of the microstructure evolution and the large ECE under the interaction of multi-electrodes. And for the first, careful design of electrodes arrangement and the electric field increment, allows one to obtain huge adiabatic temperature change in ferroelectrics near room temperature. The simulation results are expected to provide an optimal design scheme for building a new solid state refrigeration system of ferroelectrics with multi-layer electrodes.

铁电大电卡效应广泛应用于微型电子器件的制冷系统。而电极作为电子器件重要组成部分，其尖端在外电场作用下产生电场集中，对铁电力学行为及其效应产生重要的影响。因此，本项目拟通过相场模拟和实验研究相结合的方法，研究含电极的铁电材料在外电场作用下的铁电畴结构演化、电极尖端的电场、应力场分布以及由畴变和相变导致的大电卡效应。研究内容是集力学、材料科学和凝聚态物理学等多学科为一体的交叉研究系统，同时也是对宏观材料特性、力学特性与微观畴结构演化的多尺度模拟。本项目的创新点为，揭示了多电极的相互作用下微结构演化行为和大电卡效应的产生机理，并首次提出通过设计电极的排布和调节外电场的改变量，实现铁电微型器件产生不断接近室温的大电卡效应。研究成果有望为搭建出新型的含多层电极铁电材料固态制冷系统提供优化设计方案。

铁电巨电卡效应应用于固态制冷技术，相对于传统的蒸发-压缩制冷而言，具有小型化、转化率高、环境友好等优点，是微型电子器件理想的制冷方案。通过设计缺陷与优化结构提高铁电材料巨电卡效应仍是凝聚态物理学和材料学的研究热点。对含电极的铁电模型，过去主要集中在研究其断裂行为，对于其大电卡效应的研究还鲜有报道。因此，本项目将结合Landau相变理论和广义微力理论建立了含多电极的相场模型，研究了不同电极排布下，铁电畴结构的演化和多场作用下的畴变，探讨了微观结构和宏观力学特性之间的内在关联。主要研究工作包括：（1）针对含电极的铁电多场耦合系统，基于广义微力的物理背景和控制方程，从热力学原理的基本假定出发，给出Ginzburg–Landau相场动力学方程形式的完整推导过程，并结合Landau-Devonshire理论得到相场理论下的铁电本构方程。由推导结果发现基于广义微力和热力学原理得到的相场动力学方程与广泛应用的Ginzburg–Landau方程一致，表明基于唯象理论的相场法是连接宏观连续介质力学和微结构原子构型力的有效纽带，为广泛使用的Ginzburg–Landau方程提供物理背景和理论支持。（2）模拟了多电极铁电材料的微结构演化过程，探究了含电极铁电材料在外施电场作用下的极化翻转和突变的过程。通过数值模拟得到了含电极铁电材料在外加交变电场作用下的铁电双电滞回线，对比验证性实验的定性分析，为铁电大电卡效应的存在提供普适性依据。（3）研究了在外加电场作用下，电极的不同尺寸和排布对铁电畴变、相变和畴壁运动产生的影响。关键是通过微结构的演化轨迹，进一步调整外场改变量的大小，经大量数据模拟不断逼近铁电畴结构的能量势垒，最终在一定的外载条件下，实现铁电畴结构的突变，进而获得大电卡效应。同时，通过模拟不同条件下电极尖端的应力场和电场分布，实时监测电极尖端危险区域是否产生力学失效行为，确保其在较安全的使用范围内，实现在室温与低电场条件下产生巨电卡效应和大的电卡效率。