多疇低維鐵電材料電熱性能的調(diào)控研究.pdf

1、基于電熱效應(yīng)的鐵電固體制冷器具有高效、環(huán)保、應(yīng)用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是最具潛力的固體制冷器之一。目前，鐵電材料只有在居里溫度附近的較小溫度范圍內(nèi)才具有巨電熱效應(yīng)，限制了鐵電材料電熱制冷的商業(yè)化應(yīng)用。因此，如何調(diào)控低維鐵電材料的電熱性能實(shí)現(xiàn)在較寬的溫度范圍內(nèi)具有巨電熱效應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)鐵電材料制冷商業(yè)化應(yīng)用的關(guān)鍵。本論文結(jié)合電疇結(jié)構(gòu)模擬的相場(chǎng)方法和電熱性能研究的熱力學(xué)理論，建立了多疇低維鐵電材料電熱性能計(jì)算的理論模型，研究了多疇低維鐵電材料的電熱

2、性能，獲得了電熱性能與疇變的關(guān)聯(lián)機(jī)理和電熱的調(diào)控機(jī)理。該研究結(jié)果為制備具有寬溫域巨電熱效應(yīng)的鐵電固體制冷器提供了理論依據(jù)。
　　本論文的具體工作和相應(yīng)結(jié)果如下：
　　1、建立了 PbZr0.4Ti0.6O3/PbTiO3鐵電超晶格電熱性能計(jì)算的熱力學(xué)理論模型。研究了超晶格的層間作用、電極功函數(shù)差和厚度比等因素對(duì)電熱性能的調(diào)控機(jī)理。獲得了鐵電超晶格電熱性能的調(diào)控機(jī)理。
　　在 PbZr0.4Ti0.6O3/PbTiO3鐵

3、電超晶格中，PbTiO3層的厚度比(bPTO)對(duì)其電熱性能有較大的影響。當(dāng)bPTO從0.69增大到0.7時(shí)，PbZr0.4Ti0.6O3/PbTiO3鐵電超晶格中PbZr0.4Ti0.6O3層從鐵電c-相(P1=P2=0, P3≠0)轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤?P1=P2=0, P3=0)。與此同時(shí)，鐵電超晶格的絕熱溫度變化出現(xiàn)峰值，這是由于鐵電超晶格的層間失配應(yīng)變使PbZr0.4Ti0.6O3層從鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤嗨鸬?。鐵電超晶格中上下電極功函

4、數(shù)不同形成的電極功函數(shù)差會(huì)使超晶格的絕熱溫度變化減小，這是由于電極功函數(shù)差形成的內(nèi)建電場(chǎng)使外電場(chǎng)減小所導(dǎo)致的。
　　2、結(jié)合鐵電材料90o疇結(jié)構(gòu)模擬的相場(chǎng)方法和電熱性能分析的熱力學(xué)理論，建立了90o疇結(jié)構(gòu)鐵電材料電熱計(jì)算的理論模型。研究了90o疇結(jié)構(gòu)與電熱性能的關(guān)聯(lián)性。獲得了疇壁密度、疇壁寬度及應(yīng)變等因素對(duì)電熱性能的調(diào)控機(jī)理。
　　(a)室溫下，90o疇結(jié)構(gòu)的BaTiO3(BTO)絕熱溫度變化(ΔT)為2.94K(28 nm

5、)，大于室溫下單疇BTO鐵電薄膜的電熱性能(ΔT=0.8 K)，這是由于90o疇壁對(duì)電熱性能有貢獻(xiàn)所引起的。BTO的絕熱溫度變化隨疇壁寬度和疇壁密度的增大而增大。當(dāng)尺寸減小到臨界尺寸(20 nm)時(shí)，BTO從90o疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱萎牻Y(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，絕熱溫度變化從2.89 K驟降到0.96 K，這是由于單疇結(jié)構(gòu)中缺少90o疇壁對(duì)電熱貢獻(xiàn)所引起的。
　　(b)室溫下，90o疇結(jié)構(gòu)的PbZr0.8Ti0.2O3(PZT(80/20))鐵電

6、薄膜有巨電熱效應(yīng)(ΔT=8.53 K，32 nm)。PZT(80/20)薄膜絕熱溫度變化的大小隨外加交變電場(chǎng)振幅的增大而增大。PZT(80/20)薄膜與基底的失配應(yīng)變?yōu)閴簯?yīng)變時(shí)(um=-0.012)，PZT(80/20)薄膜的絕熱溫度變化ΔT=9.8 K，大于無(wú)失配應(yīng)變時(shí)絕熱溫度變化；當(dāng)失配應(yīng)變?yōu)槔瓚?yīng)變(um=+0.012)，ΔT=7.1 K，小于無(wú)失配應(yīng)變時(shí)絕熱溫度變化。由于失配應(yīng)變改變了薄膜的晶格常數(shù)，引起極化大小改變，導(dǎo)致了PZT

7、(80/20)薄膜絕熱溫度變化改變。
　　3、結(jié)合180o疇結(jié)構(gòu)模擬的相場(chǎng)方法和電熱性能分析的熱力學(xué)理論，建立了180o疇結(jié)構(gòu)PbTiO3(PTO)電熱性能計(jì)算的理論模型。研究了180o疇結(jié)構(gòu)與電熱性能的關(guān)聯(lián)機(jī)理和電熱的調(diào)控機(jī)理。并提出一種新型固體制冷器設(shè)計(jì)思想。
　　計(jì)算結(jié)果表明，室溫下PTO鐵電薄膜的180o疇壁兩端發(fā)現(xiàn)正/負(fù)電熱效應(yīng)共存的現(xiàn)象，這是由外電場(chǎng)方向與極化方向不同所導(dǎo)致的。通過(guò)計(jì)算 PTO薄膜與外電場(chǎng)的入射角

8、、外電場(chǎng)的大小和薄膜與基底的失配應(yīng)變的關(guān)系，180o疇結(jié)構(gòu)PTO鐵電薄膜電熱性能的調(diào)控機(jī)理。最后根據(jù) PTO鐵電薄膜180o疇壁兩端正/負(fù)電熱效應(yīng)共存現(xiàn)象，提出了一種基于鐵電薄膜正/負(fù)電熱效應(yīng)的新型固體制冷器設(shè)計(jì)方案。
　　4、結(jié)合渦旋疇結(jié)構(gòu)模擬的相場(chǎng)方法和電熱性能分析的熱力學(xué)理論，建立了渦旋疇結(jié)構(gòu)鐵電材料電熱計(jì)算的理論模型。研究了渦旋疇結(jié)構(gòu)與電熱性能的關(guān)聯(lián)性。獲得了外電場(chǎng)、屏蔽因子和表面張力等對(duì)鐵電材料電熱性能的調(diào)控機(jī)理。

9、>　　(a) Bi4Ti3O12(BIT)鐵電納米片中，為減小退極化場(chǎng)作用會(huì)形成渦旋疇結(jié)構(gòu)并形成新的序參量—渦旋矩。外加環(huán)形電場(chǎng)Q作用下，BIT渦旋矩(G)變化會(huì)產(chǎn)生巨電熱效應(yīng)。環(huán)形電場(chǎng)變化ΔQ=0.15 mV/?2時(shí)，BIT鐵電納米片絕熱溫度變化峰值出現(xiàn)在610 oC附近(ΔT=16.6 K)，且ΔT隨ΔQ的增大而增大。退極化場(chǎng)屏蔽因子k減小到臨界尺寸(0.7)以下，BIT從渦旋疇結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閱萎牻Y(jié)構(gòu)。在渦旋疇結(jié)構(gòu)中，BIT納米片的ΔT