鐵電納米材料的電熵效應研究.pdf

1、近年來,實驗上關于鐵電材料巨電熵效應的報道引起了研究者們的熱切關注。具有巨電熵效應的材料可以廣泛地應用于芯片等電子器件的制冷、熱泵、熱電換能器、能量收集器等領域。尤其是基于電熵效應的新型的制冷方式是非常環(huán)保、節(jié)能、高效的,因此也有可能會取代傳統的氣體壓縮制冷方式。而且實驗上可能制備出基于電熵效應的小尺度的制冷器件,所以可以用于解決目前棘手的集成電路散熱問題。對鐵電納米材料電熵效應的研究,不僅在理論上具有重要的學術價值,而且在工業(yè)和科技上

2、有著廣泛的應用前景,是當前材料物理和凝聚態(tài)物理研究領域中的前沿課題。
　　 本文重點從以下兩個方面研究了鐵電納米材料的電熵效應:
　　 1、熱應力對鐵電納米殼層的電熵效應和介電調諧率的影響
　　 采用修正了的Landau-Ginzburg-Devonshirc(LGD)理論研究了生長在不同的納米線襯底上的BaTiO3納米殼層的電熵特性和介電響應。在計算中充分考慮了表面曲率導致的應力、殼層與襯底之間的熱膨脹失配導致

3、的熱應力的影響。計算結果表明,當納米殼層的厚度下降到2nm時依然可以保持鐵電性,并且在臨界尺寸附近體現出很大的熱電系數。壓縮熱應力不僅能顯著增強BaTiO3納米殼層的電熵特性,而且有效地提高了BaTiO3納米殼層的介電調諧率。更重要的是,和塊材料相比,BaTiO3納米殼層具有很大的電熵效應:以Si為襯底時,絕熱溫度差ΔT(Tm)=2.09 K,以MgO為襯底時,絕熱溫度差ΔT(Tm)=2.33 K。因此實驗上可通過選擇不同的納米殼層尺寸

4、、退火溫度、不同的熱膨脹系數的襯底材料來調控熱應力,從而獲得增強鐵電納米材料的電熵效應的有效途徑。
　　 2、室溫下PbZr0.95Ti0.05O3薄膜的反常電熵效應
　　 通過引入Kittle的雙子格模型研究了PbZr0.95Ti0.05O3薄膜在外加電場誘導下的反鐵電→鐵電相變的電熵效應。首先,我們成功地擬合了PbZr0.95Ti0.05O3薄膜的雙電滯回線,并分析了電場誘導的反鐵電→鐵電相變的物理機制,計算結果表明

5、PbZr0.95Ti0.05O3在反鐵電相下子格的極化要比鐵電相大,這與實驗已有的結果是一致的。其次,PbZr0.95Ti0.05O3薄膜的反鐵電相的熵要遠比鐵電相低,所以當外加電場將PbZr0.95Ti0.05O3薄膜由反鐵電相扭轉到鐵電相時,體系的熵是增加的,即一個正的外加電場差值△E產生了一個正的熵變△S。這與通常意義上的電熵效應是不同的,因此我們首次提出了“反常電熵效應(Abnormal electrocaloric effec