Nature Materials：电卡冷却重大突破！

一、【科学背景】

电卡是一种具有热电效应的材料。在电流通过两种不同材料的连接部分时，会产生热电效应。这种效应是由于两种不同材料的导电性质不同所引起的。其中，一种材料会产生冷却效应，另一种则会产生加热效应。电卡制冷技术相对于传统的压缩式制冷技术，具有能效高、无有害气体排放，易于轻量化等优势，是制冷领域重要前瞻技术之一。目前，最优的制冷电介质仍需极高外加电场激发制冷效果，极易造成材料老化与击穿，因而，如何提升材料在低电场下的电致熵变是应用领域亟需攻克的难题。

二、【创新成果】

基于以上难题，国防科技大学S. Zhang，英国剑桥大学G. G. Guzmán-Verri, X. Moya & N. D. Mathur等人在Nature Materials发表了题为“Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO₃ films”的论文，研究团队基于最佳取向的交错式表面电极，研究了低损耗外延SrTiO₃薄膜在较宽的二级243K铁电相变附近的非本征电卡（EC）效应。在很宽的温度范围内（包括室温），这种非本征EC效应比体相SrTiO₃中的EC效应大一个数量级，并且在单极外加场中，EC效应是高度可逆的。如果沿着面内赝立方<100>方向之一设置低温零场极化，则应变SrTiO₃薄膜的经典Landau描述工作良好。在未来，类似的应变工程，可以用于其他薄膜、多层膜和块体样品，以增加电致冷材料的范围，用于能效高的冷却。

图1  在DSO (110)o基底上应变STO (001)pc薄膜 © 2024 Springer Nature

得到相应SrTiO₃薄膜后，研究人员使用阻抗分析仪进行介电测量，使用铁电测试仪进行极化测量。

图2  应变STO膜的平面内介电响应 © 2024 Springer Nature

图3  应变STO膜的电极化 © 2024 Springer Nature

图4  应变STO膜中的EC效应 © 2024 Springer Nature

三、【科学启迪】

外延氧化物薄膜以单一取向呈现大面积的高质量晶体材料，但很少用于研究EC效应。本研究表明，外延应变可在很宽的温度范围内产生高度可逆的非本征EC效应，这立即意味着应通过Landau理论和实验研究许多系统中的外在EC效应。单晶基底上的外延薄膜可以获得固定的~1%应变，而从晶格匹配的生长基底转移到电活性基底上的外延薄膜可以获得达到这个量级的可变应变。令人兴奋的是，外延生长的氧化物薄膜在转移到电驱动的电活性聚合物、磁驱动的磁致伸缩金属和机械驱动的聚合物后，可以产生更大的应变（4-10%）。活性体积可通过制造多层膜来增加，其中一种膜层可产生应变，还可能显示热量效应，而另一种膜层则显示应变诱导的电致发光效应。本研究可以启发在大块氧化物中开发应力诱导的EC效应，有望扩大有限的EC材料库，或将较差的EC材料转化为良好的EC材料。

原文详情：Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO₃ films (Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01831-1)

本文由赛恩斯供稿。