Nature：高极性熵钙钛矿氧化物中的巨型电热效应

一、 【科学背景】

电热效应（ECE）是极性凝聚态物质在外加电场下表现出的热响应现象，近年来被认为是一种有前景的固态制冷技术，特别适用于环保型制冷与空调系统。铁电材料（包括无机陶瓷和有机聚合物）由于其优异的极化性能，被广泛应用于局部、可穿戴及便携式冷却设备中。尤其是铁电陶瓷，凭借其良好的热导率、显著的极化响应及成熟的多层陶瓷电容器（MLCC）制造技术，成为电热效应材料的理想候选者。其中，铅钪钽酸盐（PST）因在较宽温区内表现出较大的电热效应，被广泛研究和应用于各类固态冷却装置。然而，为实现更高效、更可靠的电热制冷，当前仍亟需开发在低电场下具有更高电热效应的新型氧化物材料。

二、【科学贡献】

近日，澳大利亚伍伦贡大学的张树君联合上海交通大学的钱小石等人团队在Nature发表了题为“Giant electrocaloric effect in high-polar-entropy perovskite oxides”的论文。本研究通过在钙钛矿结构的 A 位和 B 位实施定向多元素取代，成功开发出一种无铅弛豫型铁电材料。该策略有效地扭曲了晶格结构，诱导出多种纳米尺度的极性构型、多晶型极性变体及非极性区域，显著提升了界面密度，从而增强了材料的极性熵。得益于这些结构特征，该材料在超过 60 °C 的宽温区内，在仅 10 MV m⁻¹ 的电场下实现了约 15 J kg⁻¹ K⁻¹ 的高电热效应熵变。超细、分散的多相晶格结构的形成，使该材料不仅具备高极性熵和优异的电热响应性能，还展现出超过 100 万次循环的稳定寿命，具备在多层陶瓷电容器中应用于电热制冷技术的现实潜力。

三、【图文导读】

图1高极性熵（HPE）策略与具有增强电热效应（ECE）的BSHSZT材料。© 2025 Springer Nature

图2 BaTiO3 (BT)、BaZr0.2Ti0.8O3 (BZT) 及 HPE 陶瓷的结构表征与相场模拟分析。© 2025 Springer Nature

图3 电场对(Ba0.8Sr0.2)(Hf0.025Sn0.025Zr0.025Ti0.925)O3 (BSHSZT)结构有序性与极性熵的调控作用。© 2025 Springer Nature

图4 三种极性陶瓷的介电与极化响应、BSHSZT 陶瓷的使用寿命，以及 BSHSZT MLCCs的结构与电热效应性能。© 2025 Springer Nature

四、【科学启迪】

总之，为了充分发挥块体电热陶瓷的应用潜力，降低其驱动电压至关重要。通过将陶瓷材料加工为成熟的MLCC，可在较低电压下实现显著的电热效应。基于此，本研究制备了 MLCC，直接热通量测试结果表明，在相同电场条件下，MLCC 与块体陶瓷展现出一致的电热效应强度。这表明高极性熵陶瓷及其制成的 MLCC 器件在固态电热制冷领域具有广阔的发展前景。

原文详情：Du, F., Yang, T., Hao, H. et al. Giant electrocaloric effect in high-polar-entropy perovskite oxides. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08768-8

本文由jiojio供稿