PMN-PT弛豫铁电单晶室温致冷特性及机理研究

探求在室温具有优异致冷特性的铁电材料，对于研制新型微型致冷器具有非常重要的意义。本项目以具有择优取向的PMN-PT弛豫铁电单晶为研究对象，在PMN-PT单晶的居里温度附近，通过电场控制电极矩的有序-无序转变以及电场诱导顺电-铁电相变导致的巨大熵变来获得超大的致冷效果（电热效应）。本项目通过下降法生长PMN-PT单晶，分别利用差示量热扫描仪、热力学关系研究PMN-PT单晶电热效应的温。通过研究PMN-PT单晶的电热效应与组分、取向、后处理的关系，确定出用作室温致冷材料用的最佳晶体组分、晶体学取向以及后处理工艺，制备出高电热效应铁电致冷材料。在此基础上，结合第一性原理计算与高分辨结构分析仪器，开展PMN-PT单晶在不同电场及温度下微观结构的研究，探索PMN-PT单晶高电热效应的机理。通过这些研究，研制出在室温具有优异电热效应的PMN-PT单晶，并为探索新型的铁电致冷材料提供实验与理论指导。

本项目利用下降法制备了大尺寸不同取向以及组分的PMN-PT单晶，研究了不同的组分:PMN-0.14PT,PMN-0.17PT,PMN-0.29PT晶体的电热效应。利用铁电分析仪以及唯象理论间接计算了单晶的电热效应，建立了电热效应与晶体组分、相变以及居里温度之间的关系。结果显示电热效应随着PT含量的增加电热效应增加，在准同型相界附近具有最大的电热效应，所研究的结果还显示电热效应与压电效应之间存在内在的联系，此外还发现晶体在居里温度附近电热效应最大。选取了压电性能优越的<001>以及具有高热释电响应的<111>取向为代表，研究了弛豫铁电单晶的取向对晶体电热效应的影响。研究的结果显示取向对晶体的电热效应影响也很大，<001>取向的晶体的电热效应比<111>方向的大，但电热效应峰尖锐，最大的电热效应达到了2.3K，这主要是自发极化的方向与取向的关系不一样导致的。我们还研究了疲劳对晶体极化强度的影响，其中的一个主要原因是裂纹扩展导致的。此外搭建了一套直接测量电热效应的装置，观察到了电热效应。根据电热效应的机理，利用NBT铁电材料的退极化相变设计了NBT-KN陶瓷，所设计的陶瓷在室温附近具有1.7K的电热效应。本项目的研究的结果证明了铁电材料的极化强度、相变、耐击穿场强决定了铁电材料的电热效应，铁电体的电热效应是一种有效的致冷技术。