铁电材料电热效应的应变调控

This project will focus on the tunability of electrocaloric effect of ferroelectric materials. Based on the first-principles calculations and effective Hamiltonian, a direct method for electroccaloric effect will be developed under the adiabatic condition. Comparing the results obtained from the direct and indirect methods, the relation and difference between the two methods will be identified. The dependence of polarization on electric field and temperature will be calculated by using the Monto Carlo method. A new free energy functional will be constructed to develop a phase field model with random field. The effect of strain on the electrocaloric effect of ferroelectric materials with different grain sizes, grain orientations and compositions will be investigated by using the developed phase field model. The underlying mechanism of the enhancement of electrocaloric effect by domain switching will be discussed. For the ferroelectric bulk and thin film materials with different grain orientations, sizes and compositions, the corresponding stains will be proposed to optimize the distribution of domain structures. The new methods for enhancing the electrocaloric effect of ferroelectric materials will be obtained and the related experiments will be conducted to confirm the theoretical predictions, which will provide the scientific foundation for the application of ferroelectric materials in electrocaloric cooling devices.

本项目将围绕调控铁电材料电热效应这一研究主题，结合第一性原理计算和有效哈密顿模型，建立绝热条件下铁电材料电热效应的直接计算方法。对比直接法和间接方法所得结果，指出两种方法之间的相关性和不同之处。采用蒙特卡罗随机抽样的方法，获得极化随温度和电场的变化规律，导出随温度变化的自由能泛函，建立包含随机场的相场模型。采用新建立的相场模型，研究应变对不同尺寸、不同类型和不同组分铁电材料电热效应的影响，探讨畴变对材料电热效应的增强机理。针对含有不同晶粒取向、晶粒大小和组分的铁电块体和薄膜材料，设计相应的应变模式，优化畴结构的空间分布，指出提高其电热性能的新方法，并进行相关的实验验证，为铁电材料在电热制冷设备中的应用提供科学依据。

铁电固体制冷是利用铁电材料的电热效应来实现制冷功能，由于其不需要制冷剂、易于小型化、且能方便地集成到电子器件系统中，最近受到人们越来越多的关注。电热效应是指在绝热条件下，对极性介电材料施加外电场时材料本身温度发生改变的现象，是热释电效应的逆效应。电材料的自发极化通常具有显著的温度依赖性，表现出比其它极性材料强得多的电热效应，一直被看作是电热制冷的主要候选材料。本项目围绕铁电材料室温附近的电热效应这一主题，结合第一性原理和有效哈密顿模型，建立了铁电体电热效应直接计算方法，得到了应变、尺寸和几何构型对多畴铁电材料电热效应的影响规律，并指出了提高铁电材料电热性能的新方法。此外，研究了应变梯度、应变、化学压力、晶格畸变等对铁电材料的铁电、光电等多场耦合特性的调控。本项目取得的主要成果为：. 1. 基于第一性原理计算和有效哈密顿模型，采用demon 能量项描述温变，建立了绝热条件下铁电材料电热效应的直接计算方法， 分别采用间接法和直接法计算了铁电材料的绝热温变，计算结果显示间接和直接法所得到的绝热温变峰值大小相差不到5%，峰值所处温度相差不到25K，验证了热力学Maxwell关系对铁电材料的适用性. 2. 为了描述与表面原子截断状态紧密相关的表面极化效应，本项目在基于时间相关的Ginzburg-Landau方程的相场模型中考虑了由极化外推长度表征的极化表面效应，并研究了不同的表面极化状态对PbTiO3纳米柱铁电性质和电热性能的影响。此外，采用相场法研究了不同晶粒尺寸、不同几何构型、不同组分和不同应变对铁电材料电热性能的影响，发现了不同条件下畴变对铁电材料电热性能的影响规律，提出了采用几何优化、应变调控、表面效应等提高铁电材料电热性能的新方法；. 3. 采高温炉和溶胶凝胶机制备了PZT铁电薄膜，对典型微结构进行实验观察，并采用铁电测试仪来测量不同温度下的电滞回线，计算绝热温变，发现了当组分靠近MPB时，PZT铁电薄膜中同时存在正负电卡效应。