鐵電材料與多鐵性材料的熵變效應(yīng)研究.pdf

1、電熵效應(yīng)是指在可逆及絕熱條件下施加外電場(chǎng)使得可極化材料產(chǎn)生溫度的改變。電熵效應(yīng)為實(shí)現(xiàn)固態(tài)散熱設(shè)備的應(yīng)用(如基片散熱、傳感器及電子器件的溫度調(diào)節(jié))提供了一個(gè)有效途徑?；陔婌匦?yīng)的制冷技術(shù)更加節(jié)能與環(huán)保，因此可替代傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷技術(shù)。此外，磁熵效應(yīng)也類(lèi)似于電熵效應(yīng)。一般來(lái)說(shuō)，顯著的電熵/磁熵效應(yīng)需要與極化強(qiáng)度/磁化強(qiáng)度改變相關(guān)的大的熵的改變，而鐵電材料能夠產(chǎn)生大的極化強(qiáng)度的改變，以及多鐵性材料由于存在極化序參量與磁化序參量之間的強(qiáng)磁電

2、耦合效應(yīng)，因此鐵電材料和多鐵性材料可作為具有較強(qiáng)的熵變效應(yīng)的典型材料。本文運(yùn)用改進(jìn)的朗道一金茲堡格一德文希爾熱力學(xué)理論研究了鐵電超晶格材料的電熵效應(yīng)，以及多鐵性材料BiFeO3的磁熵及電熵效應(yīng)。
　　 1.鐵電超晶格的電熵效應(yīng)研究
　　 基于改進(jìn)的Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)的熱力學(xué)理論，我們對(duì)Pb(Zr0.3Ti0.7)O3/PbTiO3(PZT/PT)與Ba0.7Sr0.3TiO3/

3、SrTiO3超晶格的電熵效應(yīng)做了深入的研究，并考慮了兩種材料之間的失配應(yīng)變。計(jì)算結(jié)果表明它們的絕熱溫差要高于BaTiO3體材料(當(dāng)△E=100kV/cm時(shí)，△T=1.6 K)，也高于PbZrxTi1-xO3固溶體(當(dāng)△E=100kV/cm時(shí)，△T=6.5 K)。此外，我們還考慮了兩種材料的組分比例以及界面耦合強(qiáng)度兩個(gè)因素對(duì)電熵效應(yīng)的影響。我們發(fā)現(xiàn)絕熱溫度差在鐵電超晶格的鐵電-順電相變區(qū)域處出現(xiàn)峰值。此峰值不僅隨著界面耦合因子的增強(qiáng)而增大

4、，而且移向高溫區(qū)。對(duì)于PZT/PT超晶格而言，Pb(Zr0.3Ti0.7)O3組分的增大有利于電熵效應(yīng)的增強(qiáng)，并使得絕熱溫差峰值出現(xiàn)的溫度向室溫靠近，峰值明顯高于實(shí)驗(yàn)上所測(cè)量的鐵電薄膜PbZr0.95Ti0.05O3的絕熱溫差峰值(當(dāng)△E=480kV/cm時(shí)，△T=12 K)。對(duì)于Ba0.7Sr0.3TiO3/SrTiO3超晶格，隨著量子順電體SrTiO3所占的厚度比例的增大，電熵效應(yīng)明顯增強(qiáng)，表明了SrTiO3對(duì)外界的擾動(dòng)尤其是外加電

5、場(chǎng)十分敏感。隨著界面耦合的增強(qiáng)，Ba0.7Sr0.3TiO3/SrTiO3超晶格的絕熱溫差也明顯增強(qiáng)。界面耦合強(qiáng)度的增大，增強(qiáng)了內(nèi)部電偶極子方向翻轉(zhuǎn)的一致性，使得極化強(qiáng)度隨外電場(chǎng)的變化增大，導(dǎo)致電熵增大。由于鐵電超晶格的周期對(duì)稱(chēng)性以及界面敏感性，其電熵效應(yīng)可通過(guò)改變材料的組分比例以及界面耦合情況來(lái)調(diào)控。這為將來(lái)實(shí)踐上的應(yīng)用提供了很好的參考價(jià)值。
　　 2.單相多鐵性材料BiFeO3的熵變效應(yīng)
　　 結(jié)合修正的LGD理論及

6、磁化雙子格模型，我們擬合了單相多鐵性材料BiFeO3陶瓷的磁化強(qiáng)度，能與實(shí)驗(yàn)結(jié)果很好地穩(wěn)合。同時(shí)研究了其磁熵效應(yīng)、電熵效應(yīng)以及介電特性。BiFeO3材料具有高的居里溫度和奈爾溫度，具有潛在的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。計(jì)算表明BiFeO3陶瓷的磁熵效應(yīng)比較小，這可能與其內(nèi)部磁化的空間非公度正弦調(diào)制結(jié)構(gòu)有關(guān)。當(dāng)外加很大的磁場(chǎng)時(shí)，絕熱溫度差△T依然比較小。當(dāng)外加電場(chǎng)時(shí)，絕熱溫度差△T在鐵電相到順電相轉(zhuǎn)變的居里溫度處出現(xiàn)比較大的峰值，表現(xiàn)出良好的電熵效應(yīng)(