鐵電材料的電卡效應系統研究-EMC-150型電卡效應測試系統

      隨著5G、新能源汽車、生物醫療和航空航天工程等領域的快速發展,業界對高效、靈活、環保的新型固態制冷技術提出了迫切需求。目前研究較為廣泛的新型固態制冷技術主要包括半導體熱電制冷、磁卡制冷、彈卡制冷和電卡制冷等。其中,電卡制冷主要利用了極性材料的電卡效應,即通過外加電場改變材料的極化狀態從而引起材料發生溫度變化。與其他固態制冷技術相比,電卡制冷具有高效、環保、易于小型化和可靠性高等優點,在局限空間制冷、芯片級制冷等領域具有廣闊的應用前景。目前,鐵電材料的電卡效應已成為凝聚態物理研究的前沿熱點之一。目前,鐵電材料的電卡效應研究及器件應用,仍有一些亟待解決的問題。比如測量、材料選擇與優化、性能調控與增強、器件可靠性等。本文利用自行搭建的力-電-熱多場耦合鐵電測量裝置和單軸應力作用下電卡直接測量裝置,以鐵電材料的電疇翻轉行為為核心,圍繞上述若干關鍵問題,研究了電場加載頻率和單軸壓縮應力對鐵電材料電卡效應的影響,以及電疇翻轉對鐵電材料電疲勞行為的影響。此外,還開展了新型無鉛弛豫鐵電陶瓷的摻雜改性研究。本論文的主要研究內容及結果如下:(1)以“軟性”鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷為模型材料,研究了間接法測量中電場頻率對電卡效應評估的影響。研究結果表明,使用1 Hz頻率下測得的電滯回線計算出的電卡效應與文獻中報道的直接法測量結果吻合良好,而使用100 Hz頻率卻獲得了正負電卡共存的結果。該現象可以通過電疇翻轉的速率相關動態過程來理解。因此,使用間接法測量鐵電材料的電卡效應時,應高度重視外加電場頻率,以獲得準確和具有代表性的電卡溫變。(2)以“軟性”PZT陶瓷為模型材料,分別使用Landau-Ginzburg-Devonshire唯象理論、直接法和間接法測量研究了單軸壓縮應力對鐵電材料電卡效應的影響。其中,直接法測量由紅外相機和特殊設計的測量裝置實現。研究結果表明,單軸壓縮應力可顯著影響鐵電陶瓷的電卡響應。其中,直接法測量結果與唯象理論計算結果基本一致,而直接法與間接法測量結果卻存在顯著的差異,表明基于麥克斯韋關系式的間接法在伴隨不飽和極化的預應力作用條件下可能是無效的。以上現象可歸因于力-電-熱多場耦合下的復雜電疇翻轉過程和可能存在的相變行為。特別地,直接法測量結果顯示預壓應力50 MPa下材料在溫度375 K的電卡溫變值與無預壓應力條件相比可提高66.7%,這直接證明了施加預壓應力是增強鐵電材料中電卡效應的有效手段之一。我們的研究結果不僅為單軸壓縮應力對ECE的影響提供了進一步的理解,而且為電卡材料及器件的設計提供了新的思路。(3)電卡制冷裝置在實際應用中需要加載高周循環電場,因此材料的疲勞行為對電卡器件的可靠性設計至關重要。使用單軸壓縮應力(2 MPa～100 MPa)和溫度場(20℃～150℃)調控電疇翻轉過程,通過測量不同電加載周期下“軟性”PZT鐵電陶瓷的極化和應變演變以及3.6×10~5循環電疲勞后樣品表面裂紋擴展情況,研究了電疇翻轉對鐵電材料電疲勞行為的影響。研究結果表明,鐵電材料的電疲勞行為主要與矯頑電場附近發生的快速電疇翻轉過程(文中定義的階段2)有關。通過分析電疇翻轉與典型疲勞因素(缺陷重新分布、載流子注入和裂紋萌生)之間的相互作用,并進一步討論了電疲勞的潛在機制。(4)(Bi_(0.5)Na_(0.5))Ti O_3基無鉛弛豫鐵電陶瓷在電卡制冷和壓電器件領域具有巨大的應用潛力。采用傳統固相反應法制備了不同Fe_2O_3摻雜的0.94(Bi_(0.5)Na_(0.5))Ti O_3-0.06Ba Ti O_3(0.94BNT-0.06BT)無鉛弛豫鐵電陶瓷,研究了Fe元素摻雜對0.94BNT-0.06BT陶瓷的相結構、介電、鐵電和壓電性能的影響。結果表明,Fe元素摻雜會延緩雙電滯回線出現的溫度。隨著Fe元素摻雜濃度的增加,鐵電態到弛豫態的相變溫度T_(F-R)逐漸向高溫度移動,在0.94BNT-0.06BT-0.01Fe_2O_3組分具有高的T_(F-R)為125℃,與未摻雜組分的T_(F-R)相比提高了20℃。此外,適當的Fe元素摻雜(x≤1.0%)可穩定鐵電長程有序,使0.94BNT-0.06BT陶瓷的壓電性能和熱穩定性同時得到提高。