鐵電體材料電熱效應(yīng)的調(diào)控.pdf

1、鐵電體材料的本質(zhì)特征在于某一溫度范圍內(nèi)自發(fā)極化的存在，且自發(fā)極化有兩個或多個可能的取向，在電場作用下，其取向可以改變。因此狹義地講，只有基于極化反轉(zhuǎn)的應(yīng)用才真正屬于鐵電性的應(yīng)用。過去幾十年內(nèi)，由于鐵電體材料具有非常好的介電性、壓電性和熱釋電性等多種不同的性質(zhì)，以及其在動力學(xué)隨機存儲器、傳感器、電容器和換能器等方面具有廣闊的應(yīng)用前景而吸引著越來越多的關(guān)注。實際上，作為熱釋電效應(yīng)的逆效應(yīng)，可以預(yù)見鐵電體材料具有良好的電熱效應(yīng)。電熱效應(yīng)是指絕

2、熱條件下在鐵電材料上增加或減小一外電場能引起材料溫度的變化。因此，電熱效應(yīng)在制冷設(shè)備方面具有廣泛的應(yīng)用前景，開展對鐵電材料電熱效應(yīng)的研究具有非常重要的意義。目前，鐵電體材料只有在居里溫度附近較小的溫度范圍內(nèi)才具有巨電熱效應(yīng)，且其居里溫度一般遠(yuǎn)高于室溫，這極大地限制了其室溫制冷應(yīng)用。因此，本論文旨在調(diào)控鐵電體材料的電熱效應(yīng)，以此尋找居里溫度在室溫附近，且具有寬工作溫度范圍的巨電熱效應(yīng)材料。主要研究內(nèi)容和創(chuàng)新成果包括以下幾個方面:
　

3、　一、運用唯象朗道—德文希爾理論，發(fā)展和建立了鈦酸鉛/鈦酸鍶雙層薄膜和鈦酸鍶鉛薄膜的熱力學(xué)理論模型，研究了不同薄膜生長取向?qū)︹佀徙U/鈦酸鍶雙層薄膜電熱效應(yīng)的調(diào)控，以及鍶含量對鈦酸鍶鉛薄膜電熱效應(yīng)的調(diào)控。
　　傳統(tǒng)的鐵電鈦酸鉛材料具有良好的熱釋電性質(zhì)，但是其居里溫度遠(yuǎn)高于室溫，因此，我們利用鈦酸鍶材料低居里溫度的特點，與鈦酸鉛形成復(fù)合材料，達到降低鈦酸鉛居里溫度并提高其電熱效應(yīng)的目的。首先研究了室溫下鈦酸鉛/鈦酸鍶雙層薄膜電熱效應(yīng)的

4、調(diào)控，這是因為雙層薄膜比各自單相薄膜具有更好的鐵電性質(zhì)。結(jié)果表明鈦酸鍶的厚度比在0.3-0.4左右時，雙層薄膜具有最大的電熱效應(yīng)，而且(111)擇優(yōu)生長取向的雙層薄膜比(110)和(001)取向薄膜的電熱效應(yīng)大。雖然，室溫下鈦酸鉛/鈦酸鍶雙層薄膜的電熱效應(yīng)比純鈦酸鉛薄膜的大，但是其絕熱溫度改變值仍然較小。因此，我們又研究了不同鍶含量對鈦酸鍶鉛薄膜電熱效應(yīng)的調(diào)控。結(jié)果表明鍶含量對薄膜電熱效應(yīng)的影響較大，通過合理控制鍶含量以及薄膜與基底之間

5、的失配應(yīng)變，可以調(diào)控鈦酸鍶鉛薄膜的室溫電熱效應(yīng)。
　　二、基于傳統(tǒng)鐵電體材料的唯象朗道—德文希爾理論，發(fā)展和建立了鐵電聚合物薄膜的熱力學(xué)理論模型，研究了失配應(yīng)變和外部應(yīng)力對聚合物薄膜電熱效應(yīng)的影響，獲得了聚合物薄膜電熱效應(yīng)的調(diào)控機理。
　　選取鐵電聚合物薄膜為研究對象，利用其居里溫度接近室溫的特點，我們首先研究了薄膜與襯底之間的失配應(yīng)變對P(VDF-TrFE)(70/30)和P(VDF-TrFE)(65/35)聚合物薄膜電熱

6、效應(yīng)的影響。結(jié)果表明壓應(yīng)變能減小聚合物薄膜的居里溫度，這與傳統(tǒng)鐵電體材料的情形相反，原因是由于聚合物分子鏈的排列使得壓應(yīng)變能減小其鐵電極化強度。而且聚合物薄膜的電熱效應(yīng)幾乎沒有改變，只是其工作溫度（電熱效應(yīng)最大值所對應(yīng)的溫度）范圍較窄。因此，利用薄膜與襯底之間的失配應(yīng)變是一種有效調(diào)控薄膜電熱效應(yīng)的手段。但是僅僅依靠失配應(yīng)變的作用還不能使其工作溫度達到室溫，另一個有效的方法是給薄膜施加外部應(yīng)力。結(jié)果表明張應(yīng)力能極大地降低聚合物薄膜的居里溫

7、度，使其達到室溫，但是又在一定程度上會減小聚合物薄膜的電熱效應(yīng)。因此，如果選取合適的失配應(yīng)變和外部應(yīng)力，也能使聚合物薄膜在室溫條件下實現(xiàn)22 K的絕熱溫度變化，這將能應(yīng)用于實際的室溫制冷。
　　三、基于唯象朗道—德文希爾理論，結(jié)合鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的相變性質(zhì)，首次建立了鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的熱力學(xué)理論模型，解釋了不同鈦酸鉛成份單晶的相變、鐵電、介電、壓電、電光和電熱性質(zhì)。
　　近來，實驗發(fā)現(xiàn)弛豫性鐵電體材料鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛

8、單晶具有大的電熱效應(yīng)，其居里溫度接近室溫，而且最大的電熱效應(yīng)在很寬溫度范圍內(nèi)都能實現(xiàn)，這將為實際的制冷應(yīng)用提供潛力。但是，鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛的物理性質(zhì)依賴于鈦酸鉛的含量，并且不同鈦酸鉛含量的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶具有復(fù)雜的相變性質(zhì)，目前還沒有一個理論能完整地解釋它。因此，基于唯象朗道—德文希爾理論，結(jié)合鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的相變性質(zhì)，我們首次建立了鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的熱力學(xué)理論模型，通過擬合實驗結(jié)果得到模型參數(shù)，利用熱力學(xué)計算解釋了鈮鎂酸

9、鉛-鈦酸鉛單晶的“溫度-成份”相圖，以及不同鈦酸鉛含量的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的鐵電、介電、壓電、電光性質(zhì)。但是該理論模型也有缺點，它不能用來解釋準(zhǔn)同型相界附近鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的壓電性質(zhì)，這可能是由于在準(zhǔn)同型相界附近的材料具有多晶結(jié)構(gòu)或存在兩相共存情形。基于此理論模型，我們研究了不同鈦酸鉛含量的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶的電熱效應(yīng)。在鈦酸鉛含量為31％的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛單晶中發(fā)現(xiàn)了負(fù)電熱效應(yīng)，這可能是由于電場誘導(dǎo)的極化納米疇導(dǎo)致沿電場方向的

10、極化強度隨溫度的升高而增大，這與先前的實驗測量值和理論計算結(jié)果相一致。并且電場的增加會導(dǎo)致單晶在很寬的溫度范圍內(nèi)具有大的電熱效應(yīng)，這與實驗結(jié)果很好的吻合。因此，該理論模型能夠被用來預(yù)測和解釋相關(guān)的實驗結(jié)果，能為實驗工作提供必要的理論基礎(chǔ)。
　　四、依據(jù)唯象朗道—德文希爾理論，考慮多疇薄膜的力學(xué)和電學(xué)邊界條件，建立了多疇鈦酸鋇薄膜的熱力學(xué)理論模型，研究了不同電疇結(jié)構(gòu)與薄膜電熱效應(yīng)的關(guān)聯(lián)性，獲得了失配應(yīng)變對多疇薄膜電熱效應(yīng)的調(diào)控機理。