雜化鈣鈦礦鐵電材料研究方面獲進展

製冷技術在現代社會中扮演著越來越重要的角色，如日常溫度控制、食品儲存和工業製造。傳統的製冷技術主要基於蒸氣壓縮迴圈制冷，一方面由於壓縮機的存在導致器件難以微型化，另一方面氟利昂等製冷劑的使用會導致臭氧層破壞等環境問題。利用基於鐵電材料相變產生的電卡效應（EC）進行製冷作為一種新型的製冷技術，具有易於微型化、高效、環保等優勢，因此有望應用於微電子器件的製冷。到目前為止，科學家已經開發了各種無機鈣鈦礦和有機聚合物鐵電體，如BaTiO₃、Pb(Zr,Ti)O₃和聚偏氟乙烯（PVDF）。然而，它們大多數冷卻效能差，驅動電場大，操作溫度遠離室溫，這些缺點成為其實際應用的潛在瓶頸。因此，迫切需要開發能夠在室溫附近產生巨大電卡效應的鐵電材料。

近些年，有機-無機雜化鈣鈦礦家族成為最活躍的研究領域之一，其在光、電、磁、發光及光伏器件中具有廣闊的應用潛力。結構上，有機和無機成分的結合使雜化鈣鈦礦具有豐富的結構可設計性和化學多樣性，為鐵電材料的結構設計和探索提供了理想的平臺。更重要的是，無機鈣鈦礦框架之間的動態有機陽離子提供了很大程度的分子運動自由，能驅動產生大熵變的多重有序-無序相變。優異的結構多樣性、大的熱交換能力和豐富的物理效能，使得雜化鈣鈦礦在高效能室溫電卡製冷方面具有潛在的價值。

中國科學院福建物質結構研究所研究員羅軍華團隊在雜化鈣鈦礦鐵電材料[(CH₃)₂CHCH₂NH₃]₂PbCl₄中發現了室溫附近的巨電卡效應。該材料在室溫附近（302 K）時表現出劇烈的一級鐵電相變，具有顯著的自發極化（>4.8 μC/cm²）和相對較小的矯頑電場（<15 kV/cm）。更重要的是，室溫下，在較小的驅動電場作用下，實現了25.64 J/kg/K的等溫熵變和11.06 K的絕熱溫度變化，從而獲得優異的電卡效應和製冷效率，單位電場作用下等溫熵變和絕熱溫度變化分別達到1.15 J·cm/kg/K/kV 和430 mK·cm/kV, 均高於傳統的無機和高分子鐵電材料。該工作不僅為雜化鈣鈦礦鐵電體的設計提供了有效方法，同時也為室溫固態製冷提供了一類潛在的具有優異電卡效應的候選材料。相關成果發表在《自然-通訊》上。

具有一級相變的層狀雜化鈣鈦礦鐵電體展現室溫巨電卡效應

來源：中國科學院福建物質結構研究所