材料力學的應變工程被業界稱為“點石成金”術，其重要手段之一就是通過脈沖激光沉積技術，在某種襯底上外延生長另外一種薄膜材料，從而實現由晶胞結構失配帶來的外延應變。
國防科技大學理學院研究團隊與國內外多所高校和研究機構合作，受“點石成金”術啟發，首次在先兆型鐵電體鈦酸鍶氧化物薄膜中實現了應變增強的電卡效應，使體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率提高10倍以上，在居里溫度（243K）附近制冷效率甚至可提高近百倍。該成果日前分別以長文和研究簡報形式發表于《Nature Materials》，并被選為封面文章。
制冷技術是人類文明進程中最重要的發明之一，也是現代生產生活中必不可少的技術。近百年來，蒸汽壓縮式制冷技術一直占據著空調、冰箱等制冷市場的主體地位。
氫氟烴是蒸汽壓縮式制冷技術的核心制冷劑，但其在生產、使用、廢棄過程中的泄漏導致了不可逆的臭氧層破壞和溫室氣體排放。蒸汽壓縮制冷系統的能效和制冷功率密度低、體積和噪聲大、不利于集成等問題，限制了其在電子、醫療、新能源汽車等領域的應用。
“業界一直在研發新興制冷技術。電卡制冷具有高效節能、環境友好、快速制冷等諸多優勢，是有望取代傳統氣體壓縮技術的制冷方案之一。”論文第一作者兼通訊作者、國防科技大學副教授張森表示，目前如何實現更大的電卡效應、更寬的工作溫度等仍具有挑戰性。
何為電卡效應？張森解釋，它是材料在外加電場作用下電偶極子發生有序、無序的轉化，從而產生熱力學熵或溫度變化的一種效應。“微觀世界中的電偶極子就像一群活潑可愛的小朋友，在‘下課’——沒有電場時自由活動，有序度低；在‘上課’即有電場時坐在座位上，有序度高。”張森說，這種秩序的高低或混亂程度的高低就是熵，與熱量或溫度相關聯，因此電場的變化帶來微觀偶極子有序程度的變化，并進一步帶來熱力學熵或溫度的變化，從而實現制熱或制冷。
張森介紹，尋找更高電卡效應的新材料或提高現有材料的電卡性能，是未來研發基于電卡制冷新型器件的關鍵環節。鈦酸鍶材料是一種被稱為“先兆型鐵電體”或“量子順電體”的材料，只在接近絕對零度（-273℃）時才展現出鐵電性或電卡制冷效應。那么，如何讓鈦酸鍶發揮更強的電卡效應？
近日，國防科技大學張森、劍橋大學G.G.Guzman-Verri，X. Moya，N.D. Mathur團隊針對如何讓鈦酸鍶發揮更強的電卡效應取得最新進展。該文通過使用優化定向的交叉指狀表面電極來研究低損耗外延SrTiO3薄膜的外部熱效應，該薄膜靠近由DyScO3襯底的雙軸平面內相干拉伸應變產生的寬二階243k鐵電相變。在包括室溫在內的廣泛溫度范圍內，我們的外在電熱效應比塊狀SrTiO3中的相應效應大一個數量級，并且與一階躍遷相關的電熱效應不同，它們在單極電場中是高度可逆的。此外，如果沿平面內<100>方向設置低溫零場極化，則應變SrTiO3薄膜的正則朗道描述是有效的。未來，類似的應變工程可以用于其他薄膜，多層和大塊樣品，以增加節能冷卻的電熱材料的范圍。研究成果以“Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO3 films”為題發表于《Nature Materials》期刊。
研究團隊反復驗證推敲，最終通過脈沖激光沉積技術在鈧酸鏑單晶襯底上外延生長出高質量鈦酸鍶薄膜，使鈦酸鍶固有的電卡效應在172K至300K溫度區間提高10倍以上，在243K附近達到上百倍的增強效應。這意味著原來的體相鈦酸鍶材料電卡制冷效率被提高了10倍以上，離實際應用更近一步。“我們提出的應變增強方案是一種新思路，可較好地避免漏電、器件擊穿損壞等問題，但這也對薄膜生長工藝提出了更高的要求。”張森表示，研究提出的通過外延應變增強鈣鈦礦氧化物薄膜電卡效應方案，為拓展電卡材料研究體系提供了新思路，也為未來高效節能、環保便捷的新型制冷技術提供了重要參考。
03 圖文導讀
圖1.在DSO (110)o襯底上拉伸STO (001)薄膜。 圖3. STO//DSO的表面和截面圖像。
圖5. STO薄膜的電極化。
圖6.應變STO薄膜中的EC效應。
團隊的研究成果離應用還有多遠？張森說，目前電卡效應在國際上已有部分應用，目標也很明確，就是打造低碳、環保的新型制冷技術。“我們的這項研究成果雖然增強效應強，但鈦酸鍶本身的效應太弱，最終增強后的電卡效應也不是很高，離實際應用可能還有比較長的距離。樂觀估計，或許未來5至10年其有望在紅外制冷、芯片原位熱管理等領域得到初步應用。”
諾貝爾物理學獎獲得者K. Alex Muller稱鈦酸鍶是“固體物理中的果蠅”，很多重要的固體物理現象都是從該材料上發現的，甚至其中還有一些至今尚未被完全理解的現象。
“目前來看，本研究的價值更多體現在給物理以及材料科學帶來的啟示意義上。我們的研究以鈦酸鍶為范本，從物理上證明了外延應變是增強現有材料電卡效應的有效方案，可啟發更多相關研究工作，從而促進無機電卡效應研究的發展與進步。”張森表示。
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