材料力學(xué)的應(yīng)變工程被業(yè)界稱為“點(diǎn)石成金”術(shù)，其重要手段之一就是通過脈沖激光沉積技術(shù)，在某種襯底上外延生長另外一種薄膜材料，從而實(shí)現(xiàn)由晶胞結(jié)構(gòu)失配帶來的外延應(yīng)變。
國防科技大學(xué)理學(xué)院研究團(tuán)隊(duì)與國內(nèi)外多所高校和研究機(jī)構(gòu)合作，受“點(diǎn)石成金”術(shù)啟發(fā)，首次在先兆型鐵電體鈦酸鍶氧化物薄膜中實(shí)現(xiàn)了應(yīng)變增強(qiáng)的電卡效應(yīng)，使體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率提高10倍以上，在居里溫度（243K）附近制冷效率甚至可提高近百倍。該成果日前分別以長文和研究簡報(bào)形式發(fā)表于《自然-材料》，并被選為封面文章。
研究工作入選《自然·材料》2024年5月期封面
流行近百年的制冷技術(shù)待革新
制冷技術(shù)是人類文明進(jìn)程中最重要的發(fā)明之一，也是現(xiàn)代生產(chǎn)生活中必不可少的技術(shù)。近百年來，蒸汽壓縮式制冷技術(shù)一直占據(jù)著空調(diào)、冰箱等制冷市場的主體地位。
氫氟烴是蒸汽壓縮式制冷技術(shù)的核心制冷劑，但其在生產(chǎn)、使用、廢棄過程中的泄漏導(dǎo)致了不可逆的臭氧層破壞和溫室氣體排放。蒸汽壓縮制冷系統(tǒng)的能效和制冷功率密度低、體積和噪聲大、不利于集成等問題，限制了其在電子、醫(yī)療、新能源汽車等領(lǐng)域的應(yīng)用。
“業(yè)界一直在研發(fā)新興制冷技術(shù)。電卡制冷具有高效節(jié)能、環(huán)境友好、快速制冷等諸多優(yōu)勢，是有望取代傳統(tǒng)氣體壓縮技術(shù)的制冷方案之一?！闭撐牡谝蛔髡呒嫱ㄓ嵶髡?、國防科技大學(xué)副教授張森表示，目前如何實(shí)現(xiàn)更大的電卡效應(yīng)、更寬的工作溫度等仍具有挑戰(zhàn)性。
何為電卡效應(yīng)？張森解釋，它是材料在外加電場作用下電偶極子發(fā)生有序、無序的轉(zhuǎn)化，從而產(chǎn)生熱力學(xué)熵或溫度變化的一種效應(yīng)。
“微觀世界中的電偶極子就像一群活潑可愛的小朋友，在‘下課’——沒有電場時(shí)自由活動，有序度低；在‘上課’即有電場時(shí)坐在座位上，有序度高。”張森說，這種秩序的高低或混亂程度的高低就是熵，與熱量或溫度相關(guān)聯(lián)，因此電場的變化帶來微觀偶極子有序程度的變化，并進(jìn)一步帶來熱力學(xué)熵或溫度的變化，從而實(shí)現(xiàn)制熱或制冷。
張森介紹，尋找更高電卡效應(yīng)的新材料或提高現(xiàn)有材料的電卡性能，是未來研發(fā)基于電卡制冷新型器件的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
鈦酸鍶材料是一種被稱為“先兆型鐵電體”或“量子順電體”的材料，只在接近絕對零度（-273℃）時(shí)才展現(xiàn)出鐵電性或電卡制冷效應(yīng)。那么，如何讓鈦酸鍶發(fā)揮更強(qiáng)的電卡效應(yīng)？
大幅提高制冷效率
研究工作入選《自然·材料》2024年4月份
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天然材料中的電卡效應(yīng)比較弱，最佳工作溫度也偏低或偏窄。解決這些問題一方面需要繼續(xù)尋找或者合成新材料，另一方面需要在無機(jī)材料中通過經(jīng)典的摻雜或離子代換等工藝提高電卡效應(yīng)或其工作溫度?！暗@樣往往會因摻雜引發(fā)的缺陷導(dǎo)致漏電乃至器件擊穿損壞，對產(chǎn)業(yè)應(yīng)用不利?！睆埳f。
“鈦酸鍶材料‘底子好’，如何培養(yǎng)它產(chǎn)出新材料，是團(tuán)隊(duì)一直在思考的問題?！睆埳硎荆牧狭W(xué)界的“點(diǎn)石成金”術(shù)在超導(dǎo)、磁性以及鐵電特性的調(diào)控方面都有應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)受此啟發(fā)將其用在電卡增強(qiáng)上并取得成功。
據(jù)介紹，這項(xiàng)研究前后持續(xù)了7年多，僅論文就修改了30余稿，難度主要集中在高質(zhì)量薄膜制備、結(jié)構(gòu)的精細(xì)表征、各種電學(xué)效應(yīng)精確測試、朗道理論的全面和深入分析。
研究團(tuán)隊(duì)反復(fù)驗(yàn)證推敲，最終通過脈沖激光沉積技術(shù)在鈧酸鏑單晶襯底上外延生長出高質(zhì)量鈦酸鍶薄膜，使鈦酸鍶固有的電卡效應(yīng)在172K至300K溫度區(qū)間提高10倍以上，在243K附近達(dá)到上百倍的增強(qiáng)效應(yīng)。這意味著原來的體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率被提高了10倍以上，離實(shí)際應(yīng)用更近一步。
“我們提出的應(yīng)變增強(qiáng)方案是一種新思路，可較好地避免漏電、器件擊穿損壞等問題，但這也對薄膜生長工藝提出了更高的要求?！睆埳硎荆芯刻岢龅耐ㄟ^外延應(yīng)變增強(qiáng)鈣鈦礦氧化物薄膜電卡效應(yīng)方案，為拓展電卡材料研究體系提供了新思路，也為未來高效節(jié)能、環(huán)保便捷的新型制冷技術(shù)提供了重要參考。
據(jù)介紹，該論文投稿過程中，3位審稿專家都給予了肯定，認(rèn)為在鈦酸鍶材料中進(jìn)行系統(tǒng)表征并實(shí)現(xiàn)電卡及其增強(qiáng)效應(yīng)“實(shí)屬罕見”，該研究代表了電卡領(lǐng)域的革新成果和重要進(jìn)展。
研究“固體物理中的果蠅”
團(tuán)隊(duì)的研究成果離應(yīng)用還有多遠(yuǎn)？張森說，目前電卡效應(yīng)在國際上已有部分應(yīng)用，目標(biāo)也很明確，就是打造低碳、環(huán)保的新型制冷技術(shù)?！拔覀兊倪@項(xiàng)研究成果雖然增強(qiáng)效應(yīng)強(qiáng)，但鈦酸鍶本身的效應(yīng)太弱，最終增強(qiáng)后的電卡效應(yīng)也不是很高，離實(shí)際應(yīng)用可能還有比較長的距離。樂觀估計(jì)，或許未來5至10年其有望在紅外制冷、芯片原位熱管理等領(lǐng)域得到初步應(yīng)用?！?/p>
諾貝爾物理學(xué)獎獲得者K. Alex Muller稱鈦酸鍶是“固體物理中的果蠅”，很多重要的固體物理現(xiàn)象都是從該材料上發(fā)現(xiàn)的，甚至其中還有一些至今尚未被完全理解的現(xiàn)象。
“目前來看，本研究的價(jià)值更多體現(xiàn)在給物理以及材料科學(xué)帶來的啟示意義上。我們的研究以鈦酸鍶為范本，從物理上證明了外延應(yīng)變是增強(qiáng)現(xiàn)有材料電卡效應(yīng)的有效方案，可啟發(fā)更多相關(guān)研究工作，從而促進(jìn)無機(jī)電卡效應(yīng)研究的發(fā)展與進(jìn)步?！睆埳硎尽?/p>
