Nature Materials：電卡冷卻重大突破！

一、【科學背景】

電卡是一種具有熱電效應的材料。在電流通過兩種不同材料的連接部分時，會產生熱電效應。這種效應是由于兩種不同材料的導電性質不同所引起的。其中，一種材料會產生冷卻效應，另一種則會產生加熱效應。電卡制冷技術相對于傳統的壓縮式制冷技術，具有能效高、無有害氣體排放，易于輕量化等優勢，是制冷領域重要前瞻技術之一。目前，最優的制冷電介質仍需極高外加電場激發制冷效果，極易造成材料老化與擊穿，因而，如何提升材料在低電場下的電致熵變是應用領域亟需攻克的難題。

二、【創新成果】

基于以上難題，國防科技大學S. Zhang，英國劍橋大學G. G. Guzmán-Verri, X. Moya & N. D. Mathur等人在Nature Materials發表了題為“Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO₃ films”的論文，研究團隊基于最佳取向的交錯式表面電極，研究了低損耗外延SrTiO₃薄膜在較寬的二級243K鐵電相變附近的非本征電卡（EC）效應。在很寬的溫度范圍內（包括室溫），這種非本征EC效應比體相SrTiO₃中的EC效應大一個數量級，并且在單極外加場中，EC效應是高度可逆的。如果沿著面內贗立方<100>方向之一設置低溫零場極化，則應變SrTiO₃薄膜的經典Landau描述工作良好。在未來，類似的應變工程，可以用于其他薄膜、多層膜和塊體樣品，以增加電致冷材料的范圍，用于能效高的冷卻。

圖1 ?在DSO (110)o基底上應變STO (001)pc薄膜 ? 2024 Springer Nature

得到相應SrTiO₃薄膜后，研究人員使用阻抗分析儀進行介電測量，使用鐵電測試儀進行極化測量。

圖2 ?應變STO膜的平面內介電響應 ? 2024 Springer Nature

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圖3 ?應變STO膜的電極化 ? 2024 Springer Nature

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圖4 ?應變STO膜中的EC效應 ? 2024 Springer Nature

三、【科學啟迪】

外延氧化物薄膜以單一取向呈現大面積的高質量晶體材料，但很少用于研究EC效應。本研究表明，外延應變可在很寬的溫度范圍內產生高度可逆的非本征EC效應，這立即意味著應通過Landau理論和實驗研究許多系統中的外在EC效應。單晶基底上的外延薄膜可以獲得固定的~1%應變，而從晶格匹配的生長基底轉移到電活性基底上的外延薄膜可以獲得達到這個量級的可變應變。令人興奮的是，外延生長的氧化物薄膜在轉移到電驅動的電活性聚合物、磁驅動的磁致伸縮金屬和機械驅動的聚合物后，可以產生更大的應變（4-10%）。活性體積可通過制造多層膜來增加，其中一種膜層可產生應變，還可能顯示熱量效應，而另一種膜層則顯示應變誘導的電致發光效應。本研究可以啟發在大塊氧化物中開發應力誘導的EC效應，有望擴大有限的EC材料庫，或將較差的EC材料轉化為良好的EC材料。

原文詳情：Highly reversible extrinsic electrocaloric effects over a wide temperature range in epitaxially strained SrTiO₃ films (Nat. Mater. 2024, DOI: 10.1038/s41563-024-01831-1)

本文由賽恩斯供稿。