鐵電材料的電卡效應(yīng)系統(tǒng)研究-EMC-150型電卡效應(yīng)測試系統(tǒng)

      隨著5G、新能源汽車、生物醫(yī)療和航空航天工程等領(lǐng)域的快速發(fā)展,業(yè)界對高效、靈活、環(huán)保的新型固態(tài)制冷技術(shù)提出了迫切需求。目前研究較為廣泛的新型固態(tài)制冷技術(shù)主要包括半導(dǎo)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(yīng),即通過外加電場改變材料的極化狀態(tài)從而引起材料發(fā)生溫度變化。與其他固態(tài)制冷技術(shù)相比,電卡制冷具有高效、環(huán)保、易于小型化和可靠性高等優(yōu)點(diǎn),在局限空間制冷、芯片級制冷等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。目前,鐵電材料的電卡效應(yīng)已成為凝聚態(tài)物理研究的前沿?zé)狳c(diǎn)之一。目前,鐵電材料的電卡效應(yīng)研究及器件應(yīng)用,仍有一些亟待解決的問題。比如測量、材料選擇與優(yōu)化、性能調(diào)控與增強(qiáng)、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(yīng)力作用下電卡直接測量裝置,以鐵電材料的電疇翻轉(zhuǎn)行為為核心,圍繞上述若干關(guān)鍵問題,研究了電場加載頻率和單軸壓縮應(yīng)力對鐵電材料電卡效應(yīng)的影響,以及電疇翻轉(zhuǎn)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(nèi)容及結(jié)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(yīng)評估的影響。研究結(jié)果表明,使用1 Hz頻率下測得的電滯回線計(jì)算出的電卡效應(yīng)與文獻(xiàn)中報(bào)道的直接法測量結(jié)果吻合良好,而使用100 Hz頻率卻獲得了正負(fù)電卡共存的結(jié)果。該現(xiàn)象可以通過電疇翻轉(zhuǎn)的速率相關(guān)動態(tài)過程來理解。因此,使用間接法測量鐵電材料的電卡效應(yīng)時,應(yīng)高度重視外加電場頻率,以獲得準(zhǔn)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(yīng)力對鐵電材料電卡效應(yīng)的影響。其中,直接法測量由紅外相機(jī)和特殊設(shè)計(jì)的測量裝置實(shí)現(xiàn)。研究結(jié)果表明,單軸壓縮應(yīng)力可顯著影響鐵電陶瓷的電卡響應(yīng)。其中,直接法測量結(jié)果與唯象理論計(jì)算結(jié)果基本一致,而直接法與間接法測量結(jié)果卻存在顯著的差異,表明基于麥克斯韋關(guān)系式的間接法在伴隨不飽和極化的預(yù)應(yīng)力作用條件下可能是無效的。以上現(xiàn)象可歸因于力-電-熱多場耦合下的復(fù)雜電疇翻轉(zhuǎn)過程和可能存在的相變行為。特別地,直接法測量結(jié)果顯示預(yù)壓應(yīng)力50 MPa下材料在溫度375 K的電卡溫變值與無預(yù)壓應(yīng)力條件相比可提高66.7%,這直接證明了施加預(yù)壓應(yīng)力是增強(qiáng)鐵電材料中電卡效應(yīng)的有效手段之一。我們的研究結(jié)果不僅為單軸壓縮應(yīng)力對ECE的影響提供了進(jìn)一步的理解,而且為電卡材料及器件的設(shè)計(jì)提供了新的思路。(3)電卡制冷裝置在實(shí)際應(yīng)用中需要加載高周循環(huán)電場,因此材料的疲勞行為對電卡器件的可靠性設(shè)計(jì)至關(guān)重要。使用單軸壓縮應(yīng)力(2 MPa～100 MPa)和溫度場(20℃～150℃)調(diào)控電疇翻轉(zhuǎn)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(yīng)變演變以及3.6×10~5循環(huán)電疲勞后樣品表面裂紋擴(kuò)展情況,研究了電疇翻轉(zhuǎn)對鐵電材料電疲勞行為的影響。研究結(jié)果表明,鐵電材料的電疲勞行為主要與矯頑電場附近發(fā)生的快速電疇翻轉(zhuǎn)過程(文中定義的階段2)有關(guān)。通過分析電疇翻轉(zhuǎn)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(jìn)一步討論了電疲勞的潛在機(jī)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(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。采用傳統(tǒng)固相反應(yīng)法制備了不同F(xiàn)e_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?fù)诫s對0.94BNT-0.06BT陶瓷的相結(jié)構(gòu)、介電、鐵電和壓電性能的影響。結(jié)果表明,Fe元素?fù)诫s會延緩雙電滯回線出現(xiàn)的溫度。隨著Fe元素?fù)诫s濃度的增加,鐵電態(tài)到弛豫態(tài)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(dāng)?shù)腇e元素?fù)诫s(x≤1.0%)可穩(wěn)定鐵電長程有序,使0.94BNT-0.06BT陶瓷的壓電性能和熱穩(wěn)定性同時得到提高。