NiCoMnIn/BaSrTiO3多铁性薄膜中磁/电卡效应耦合的相场模拟研究

Cooling is indispensable in our daily life. At present, the magnetocaloric effect cooling technology can offer the large entropy change, however the external magnetic field of needing the driving force hinder the device minimization. Although the electrocaloric effect cooling technology can minimize the device by using electric field to drive, the low breakdown electric field and the limit materials option obstruct the applications. Therefore, this project develops a phase field model which able to investigate the magnetocaloric/electrocaloric coupling effects in NiCoMnIn/BaSrTiO3 multiferroic films, and to understand the theoretical mechanism of the magnetization transition induced by the external electric field based on the studying of interface strain transfer. The purpose of investigating the electric field driving magnetocaloric effect is inspiring the understanding of magnetoelectric and magnetoelastic coupling mechanism at the interface, and provide the theoretical foundation for further understanding the magnetocaloric and electrocaloric coupling effects. Meanwhile, we design theoretically larger entropy change and high efficiency cooling device which includes the merits of magnetocaloric and electrocaloric effects.

制冷在人们生活中不可或缺。目前，磁卡效应制冷技术可以提供较大的磁熵变，但是由于需要外加磁场驱动，阻碍了器件的小型化。虽然用外加电场驱动相变的电卡效应制冷技术，可以使得器件小型化，但是材料的击穿电场较低，材料的选择范围也相对较窄。因此，本项目发展可用于“NiCoMnIn/BaSrTiO3”多铁性薄膜中磁卡、电卡效应耦合的相场模型，并通过其界面应变传输的研究，来理解外加电场诱导磁性相变的机制。建立电场驱动磁卡效应的理论机制，以增进对跨界面的不同磁电、磁弹耦合作用机制共存的理解，为进一步的研究电卡效应与磁卡效应耦合作用提供理论依据。与此同时，理论上设计一种器件，兼具电卡效应和磁卡效应的优点，获得更大的熵变和更高效制冷的器件。

本项目围绕电卡效应的两个重要难点：1. 熵变和温变小，2，相变温区较窄。利用铁电纳米线尺寸效应提高熵变，基于纳米线和薄膜不同的力学边界条件（自由和束缚边界条件），纳米线比薄膜的温变可以提高50%以上；利用外加应力、基体应变、铁电-反铁电相变、外加磁场调控电卡效应相变温区，外加应力为 0.4 GPa时温度范围可以达到 267 K，调节失配应变和衬底错配应变之间平衡，扩大电卡效应的温度范围到281K；施加大磁场驱动磁性相变妨碍了磁卡效应器件的小型化，通过界面应变传输的机制，证明了在0.1MV/m的小电场下，可实现铁磁相到反铁磁相的磁转变温度调节5K，获得了14.9 J/(kg·K)的巨大磁熵变，从而实现了外加电场诱导磁性相变。此外，基于磁-弹-电耦合相变，提出了一种潜在的包括磁卡、弹卡效应的制冷器件。开发出了一套能够包含铁磁、反铁磁、马氏体、奥氏体等序参量的铁磁铁弹性耦合薄膜相场程序，我们开发了一个新的相场软件包，通过CUDA的贡献，半隐式傅里叶变换计算的计算速度可以提高50倍，促进发展相关相场代码以使其能更好地应用于具有复杂边界条件的多铁性异质结体系，加深对多铁性异质结中磁电效应物理机制的理解并为实验研究提供理论指导，推动了固体材料制冷器件的设计与发展。项目成果发表SCI论文31篇，其中第一作者10篇，通讯作者9篇。项目培养了2名硕士生。