鐵電材料與多鐵性材料的熵變效應研究.pdf

1、電熵效應是指在可逆及絕熱條件下施加外電場使得可極化材料產(chǎn)生溫度的改變。電熵效應為實現(xiàn)固態(tài)散熱設(shè)備的應用(如基片散熱、傳感器及電子器件的溫度調(diào)節(jié))提供了一個有效途徑?；陔婌匦闹评浼夹g(shù)更加節(jié)能與環(huán)保，因此可替代傳統(tǒng)的蒸汽壓縮制冷技術(shù)。此外，磁熵效應也類似于電熵效應。一般來說，顯著的電熵/磁熵效應需要與極化強度/磁化強度改變相關(guān)的大的熵的改變，而鐵電材料能夠產(chǎn)生大的極化強度的改變，以及多鐵性材料由于存在極化序參量與磁化序參量之間的強磁電

2、耦合效應，因此鐵電材料和多鐵性材料可作為具有較強的熵變效應的典型材料。本文運用改進的朗道一金茲堡格一德文希爾熱力學理論研究了鐵電超晶格材料的電熵效應，以及多鐵性材料BiFeO3的磁熵及電熵效應。
　　 1.鐵電超晶格的電熵效應研究
　　 基于改進的Landau-Ginzburg-Devonshire(LGD)的熱力學理論，我們對Pb(Zr0.3Ti0.7)O3/PbTiO3(PZT/PT)與Ba0.7Sr0.3TiO3/

3、SrTiO3超晶格的電熵效應做了深入的研究，并考慮了兩種材料之間的失配應變。計算結(jié)果表明它們的絕熱溫差要高于BaTiO3體材料(當△E=100kV/cm時，△T=1.6 K)，也高于PbZrxTi1-xO3固溶體(當△E=100kV/cm時，△T=6.5 K)。此外，我們還考慮了兩種材料的組分比例以及界面耦合強度兩個因素對電熵效應的影響。我們發(fā)現(xiàn)絕熱溫度差在鐵電超晶格的鐵電-順電相變區(qū)域處出現(xiàn)峰值。此峰值不僅隨著界面耦合因子的增強而增大

4、，而且移向高溫區(qū)。對于PZT/PT超晶格而言，Pb(Zr0.3Ti0.7)O3組分的增大有利于電熵效應的增強，并使得絕熱溫差峰值出現(xiàn)的溫度向室溫靠近，峰值明顯高于實驗上所測量的鐵電薄膜PbZr0.95Ti0.05O3的絕熱溫差峰值(當△E=480kV/cm時，△T=12 K)。對于Ba0.7Sr0.3TiO3/SrTiO3超晶格，隨著量子順電體SrTiO3所占的厚度比例的增大，電熵效應明顯增強，表明了SrTiO3對外界的擾動尤其是外加電

5、場十分敏感。隨著界面耦合的增強，Ba0.7Sr0.3TiO3/SrTiO3超晶格的絕熱溫差也明顯增強。界面耦合強度的增大，增強了內(nèi)部電偶極子方向翻轉(zhuǎn)的一致性，使得極化強度隨外電場的變化增大，導致電熵增大。由于鐵電超晶格的周期對稱性以及界面敏感性，其電熵效應可通過改變材料的組分比例以及界面耦合情況來調(diào)控。這為將來實踐上的應用提供了很好的參考價值。
　　 2.單相多鐵性材料BiFeO3的熵變效應
　　 結(jié)合修正的LGD理論及

6、磁化雙子格模型，我們擬合了單相多鐵性材料BiFeO3陶瓷的磁化強度，能與實驗結(jié)果很好地穩(wěn)合。同時研究了其磁熵效應、電熵效應以及介電特性。BiFeO3材料具有高的居里溫度和奈爾溫度，具有潛在的實際應用價值。計算表明BiFeO3陶瓷的磁熵效應比較小，這可能與其內(nèi)部磁化的空間非公度正弦調(diào)制結(jié)構(gòu)有關(guān)。當外加很大的磁場時，絕熱溫度差△T依然比較小。當外加電場時，絕熱溫度差△T在鐵電相到順電相轉(zhuǎn)變的居里溫度處出現(xiàn)比較大的峰值，表現(xiàn)出良好的電熵效應(