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摘要

近年来, 低成本、高效、环保的电卡效应制冷材料得到了广泛研究, 其中包括无机钙钛矿、有机钙钛矿、有机聚合物、分子铁电材料和二维铁电材料等. 这些不同铁电材料的相变类型和电卡性能各异, 而造成其差异的物理起源尚不明确. 本文选择传统无机钙钛矿BaTiO ₃, PbTiO ₃和BiFeO ₃, 有机钙钛矿[MDABCO](NH ₄)I ₃, 有机聚合物P(VDF-TrFE), 分子铁电体ImClO ₄和二维铁电体CuInP ₂S ₆这七种材料, 利用Landau-Devonshire理论, 研究并对比了其温变、熵变和电卡强度. 通过分析自由能与极化之间的关系发现, 在相变点附近, 铁电材料的自由能势垒高度随温度的变化率越大, 造成的极化随温度的变化率越高, 而材料的电卡性能也越优异. 本文揭示了不同类型铁电材料电卡性能差异的物理起源, 为进一步开发具有高电卡性能的铁电材料提供理论指导.

关键词:

Abstract

The electrocaloric effects in various types of materials, including inorganic perovskites, organic perovskites, organic polymers, molecular ferroelectrics and two-dimensional ferroelectric materials, possess great potential in realizing solid-state cooling devices due to the advantages of low-cost, high-efficiency and environmental friendly. Different ferroelectric materials have distinct characteristics in terms of phase transition and electrocaloric response. The mechanism for enhancing the electrocaloric effect currently remains elusive. Here, typical inorganic perovskite BaTiO ₃, PbTiO ₃and BiFeO ₃, organic perovskite [MDABCO](NH ₄)I ₃, organic polymer P(VDF-TrFE), molecular ferroelectric ImClO ₄and two-dimensional ferroelectric CuInP ₂S ₆are selected to analyze the origins of their electrocaloric effects based on the Landau-Devonshire theory. The temperature-dependent pyroelectric coefficients and electrocaloric performances of different ferroelectric materials indicate that the first-order phase transition material MDABCO and the second-order phase transition material ImClO ₄have excellent performances for electrocaloric refrigeration. The predicted results also strongly suggest that near the phase transition point of the ferroelectric material, the variation rate of free energy barrier height with temperature contributes to the polarizability change with temperature, resulting in enhanced electrocaloric effect. This present work provides a theoretical basis and a new insight into the further development of ferroelectric materials with high electrocaloric response.

Keywords:

作者及机构信息

1.
2.

通信作者:黄厚兵,hbhuang@bit.edu.cn

基金项目:国家自然科学基金(批准号: 51972028)和国家重点研发计划(批准号: 2019YFA0307900)资助的课题

Authors and contacts

1.
2.

Corresponding author:Huang Hou-Bing,hbhuang@bit.edu.cn

Funds:Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 51972028) and the National Key R&D Program of China (Grant No. 2019YFA0307900).

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[17]
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[19]
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Coefficients	BaTiO₃^[45]	PbTiO₃^[46]	BiFeO₃^[47]	ImClO₄^[43]	[MDABCO] (NH₄)I₃^[42]	CuInP₂S₆^[41]	P(VDF-TrFE)^[26]
α₁/C^–2·m²·N	$\begin{array}{cc} & 5.0 \times 10^5 \times 160 \times\\& \Big[{\rm Coth}\Big(\dfrac{160}{T} \Big)–{\rm Coth} \Big(\dfrac{160}{390}\Big)\Big] \end{array}$	3.8 × 10⁵× (T– 752)	4.646 × 10⁵× (T– 1103)	7.533 × 10⁷× (T– 373)	4.01 × 10⁶× (T– 437)	1.76 × 10⁷× (T– 315)	1.412 × 10⁷× (T– 315)
α₁₁/C^–4·m⁶·N	–1.154×10⁸	–0.73×10⁸	2.290×10⁸	1.5×10¹¹	–7.032×10⁹	1.38×10¹¹	–1.842×10¹¹
α₁₂/C^–4·m⁶·N	6.530×10⁸	7.5×10⁸	3.064×10⁸		1.124×10⁸
α₁₁₁/C^–6·m¹⁰·N	–2.106×10⁹	2.6×10⁸	5.99×10⁹	2×10¹²	α₁₁₁(T)	6.81×10¹³	2.585×10¹³
α₁₁₂/C^–6·m¹⁰·N	4.091×10⁹	6.1×10⁸	–3.340×10⁸		0
α₁₂₃/C^–6·m¹⁰·N	–6.688×10⁹	–3.7×10⁹	–1.778×10⁹		–2.018×10¹⁰
α₁₁₁₁/C^–8·m¹⁴·N	7.590×10¹⁰
α₁₁₁₂/C^–8·m¹⁴·N	–2.193×10¹⁰
α₁₁₂₂/C^–8·m¹⁴·N	–2.221×10¹⁰
α₁₁₂₃/C^–8·m¹⁴·N	2.416× 10¹⁰
注:α₁₁₁(T):T>T₀(437 K),α₁₁₁= 3×10¹¹;T≤T₀,α₁₁₁= –3.5085×10⁹× 55$\left[{\rm Coth}\left(\dfrac{55}{T}\right) \right.$ –Coth$\left.\left(\dfrac{55}{523}\right)\right]$.

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Parameters	BaTiO₃^[35,37,42]	PbTiO₃^[36,48,49]	BiFeO₃^[20]	ImClO₄^[43]	[MDABCO](NH₄)I₃^[42]	CuInP₂S₆^[41]	P(VDF-TrFE)^[50,51]
ρ/kg·m^–3	6020	8300	8346	1719	4039	3405	1886
C/J·m^–3·K^–1	3.05 × 10⁶	3.9 × 10⁶	2.88 × 10⁶	2.423 × 10⁶	4.039 × 10⁶	1.896 × 10⁶	2.244 × 10⁶

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[45]
[46]
[47]
[48]
[49]
[50]
[51]

[1]	金程程, 丁玲玲, 宋子馨, 陶海军.BaTiO₃掺杂调控内建电场提升钙钛矿太阳能电池性能. 必威体育下载 , 2024, 73(3): 038801.doi:10.7498/aps.73.20231139
[2]	邹幸, 朱哲, 方文啸.纳米线电卡效应的表面应力与固溶改性相场模拟. 必威体育下载 , 2024, 73(10): 100501.doi:10.7498/aps.73.20240105
[3]	吴明宇, 弭光宝, 李培杰, 黄旭.600 ℃高温钛合金燃烧组织演变及机理. 必威体育下载 , 2023, 72(16): 166102.doi:10.7498/aps.72.20230396
[4]	金鑫, 陶蕾, 张余洋, 潘金波, 杜世萱.几种范德瓦耳斯铁电材料中新奇物性的研究进展. 必威体育下载 , 2022, 71(12): 127305.doi:10.7498/aps.71.20220349
[5]	汤卉, 牛翔, 杨志朋, 彭小草, 赵小波, 姚英邦, 陶涛, 梁波, 唐新桂, 鲁圣国.0.7BiFeO₃-0.3BaTiO₃陶瓷中极化翻转产生的巨电卡效应增加及Mn⁴⁺离子掺杂对其介电、铁电性能的影响. 必威体育下载 , 2022, 71(14): 147701.doi:10.7498/aps.71.20220280
[6]	白刚, 韩宇航, 高存法.(111)取向无铅K_0.5Na_0.5NbO₃外延薄膜的相变和电卡效应: 外应力与错配应变效应. 必威体育下载 , 2022, 71(9): 097701.doi:10.7498/aps.71.20220234
[7]	林翠, 白刚, 李卫, 高存法.外延PbZr_0.2Ti_0.8O₃薄膜负电容的应变调控. 必威体育下载 , 2021, 70(18): 187701.doi:10.7498/aps.70.20210810
[8]	李飞, 张树君, 徐卓.压电效应—百岁铁电的守护者. 必威体育下载 , 2020, 69(21): 217703.doi:10.7498/aps.69.20200980
[9]	王慧, 徐萌, 郑仁奎.二维材料/铁电异质结构的研究进展. 必威体育下载 , 2020, 69(1): 017301.doi:10.7498/aps.69.20191486
[10]	吕笑梅, 黄凤珍, 朱劲松.铁电材料中的电畴: 形成、结构、动性及相关性能. 必威体育下载 , 2020, 69(12): 127704.doi:10.7498/aps.69.20200312
[11]	魏晓薇, 陶红, 赵纯林, 吴家刚.高性能铌酸钾钠基无铅陶瓷的压电和电卡性能. 必威体育下载 , 2020, 69(21): 217705.doi:10.7498/aps.69.20200540
[12]	谭丛兵, 钟向丽, 王金斌.铁电材料中的极性拓扑结构. 必威体育下载 , 2020, 69(12): 127702.doi:10.7498/aps.69.20200311
[13]	鲁圣国, 李丹丹, 林雄威, 简晓东, 赵小波, 姚英邦, 陶涛, 梁波.铁电材料中电场对唯象系数和电卡强度的影响. 必威体育下载 , 2020, 69(12): 127701.doi:10.7498/aps.69.20200296
[14]	朱立峰, 潘文远, 谢燕, 张波萍, 尹阳, 赵高磊.缺陷离子调控对BiFeO₃-BaTiO₃基钙钛矿材料的铁电光伏特性影响. 必威体育下载 , 2019, 68(21): 217701.doi:10.7498/aps.68.20190996
[15]	吴化平, 令欢, 张征, 李研彪, 梁利华, 柴国钟.铁电材料光催化活性的研究进展. 必威体育下载 , 2017, 66(16): 167702.doi:10.7498/aps.66.167702
[16]	唐先柱, 彭增辉, 刘永刚, 鲁兴海, 宣丽.相变前的热力学平衡态对铁电液晶排列的影响. 必威体育下载 , 2010, 59(9): 6261-6265.doi:10.7498/aps.59.6261
[17]	王磊, 杨成韬, 解群眺, 叶井红.双层纳米磁电薄膜模型及分析. 必威体育下载 , 2009, 58(5): 3515-3519.doi:10.7498/aps.58.3515
[18]	徐国成, 潘玲, 关庆丰, 邹广田.非晶钛酸铋的晶化过程. 必威体育下载 , 2006, 55(6): 3080-3085.doi:10.7498/aps.55.3080
[19]	陶永梅, 蒋青, 曹海霞.用横场伊辛模型研究应力对铁电薄膜的热力学性质的影响. 必威体育下载 , 2005, 54(1): 274-279.doi:10.7498/aps.54.274
[20]	施展, 南策文.铁电/铁磁三相颗粒复合材料的磁电性能计算. 必威体育下载 , 2004, 53(8): 2766-2770.doi:10.7498/aps.53.2766

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