應(yīng)變對鐵電薄膜電熱性能的調(diào)控.pdf

1、電熱制冷因其無污染、高效率、固態(tài)制冷等優(yōu)點,在芯片制冷、傳感器及其它的溫度調(diào)節(jié)等方面具有廣泛的潛在應(yīng)用。近年來,隨著鐵電薄膜巨電熱效應(yīng)(溫度改變 △T=12K)的發(fā)現(xiàn)和薄膜技術(shù)的飛速發(fā)展,人們對鐵電薄膜的電熱效應(yīng)及其在制冷方面的應(yīng)用產(chǎn)生了極大的興趣。但是,目前在鐵電薄膜中發(fā)現(xiàn)的較大電熱效應(yīng)只存在于很小的溫度范圍內(nèi),而實際應(yīng)用中的制冷器件往往需要在較寬的溫度范圍內(nèi)工作。因此,如何使鐵電薄膜材料在較寬的溫度范圍內(nèi)具有大的電熱效應(yīng),是鐵電薄膜

2、能否在制冷中得到應(yīng)用所面臨的一個重要問題。
　　本論文在朗道-德文希爾(Landau-Devonshire)鐵電相變理論的基礎(chǔ)上以鈦酸鋇(BaTiO3)、鈦酸鉛(PbTiO3)和鋯鈦酸鉛(PbZr1-xTixO3)三種鐵電薄膜為例,研究了外加電場、平面內(nèi)失配應(yīng)變對單晶鐵電薄膜電熱制冷性能的影響,并構(gòu)建了它們在不同外加電場下的溫度-應(yīng)變相圖。通過對相圖和電熱制冷性能的對比分析,揭示了單晶鐵電薄膜電熱制冷性能與鐵電相變的關(guān)系,發(fā)現(xiàn)通過

3、應(yīng)變的調(diào)控可以改變單晶鐵電薄膜電熱制冷性能的工作溫度范圍,因此應(yīng)變調(diào)控對未來電熱效應(yīng)在室溫制冷方面的應(yīng)用具有重要的作用。具體研究內(nèi)容和結(jié)果如下:
　　首先,構(gòu)建了鈦酸鋇單晶鐵電薄膜在不同外加電場下的溫度-應(yīng)變相圖,并結(jié)合相圖對應(yīng)變調(diào)控下鈦酸鋇的電熱性能進行了分析。分析結(jié)果表明:拉伸應(yīng)變使鈦酸鋇薄膜的電熱制冷性能(溫度改變)在接近室溫的較寬溫度范圍內(nèi)具有較大溫度改變,但是溫度改變的最大值降低(1.2K);壓縮應(yīng)變使得鈦酸鋇薄膜的電熱

4、制冷性能的最大值向高溫方向擴展,只在一個小溫度范圍內(nèi)具有大的溫度改變且其最大值增加(1.6K)。通過與相圖對比分析,我們認為這些變化是由于相變溫度的改變引起的。另外,電場對鈦酸鋇薄膜的電熱制冷效應(yīng)也具有很大的作用。因此,合理地控制應(yīng)變和電場就可以獲得在接近室溫的較寬的溫度范圍內(nèi)具有較大溫度改變的鐵電薄膜材料,這對未來的固體薄膜材料的室溫制冷應(yīng)用有著重要的意義。
　　其次,引入平面各向異性應(yīng)變,以鈦酸鉛和鋯鈦酸鉛薄膜為例,研究了平面