【科技前沿】第2期：高性能铁电薄膜的制备及正、负电卡效应的研究进展

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传统空调制冷系统常使用制冷剂氟利昂，引起温室效应对环境极为不利。随着社会经济发展及城市化进程的推进，基于电卡效应的新型低碳高效制冷技术的创新和研发可大幅减少温室气体排放，有助于可持续发展。电卡制冷技术（Electrocaloric Refrigeration）使用固体制冷工质，无直接温室气体排放，环境友好、能量转化效率高，成为学界、工业界广泛关注的新型制冷技术。铁电薄膜利用其极化/退极化过程中的可逆焓（熵）变可以实现热力学循环，呈现电卡效应。铁电薄膜型固态制冷器由低压电能驱动，结构简单，在芯片级微系统制冷领域拥有重要技术优势。团队所掌握的铁电薄膜制备技术处于国际领先水平，开展的正负电卡效应的研究可解决电卡制冷技术应用所面临的卡脖子问题，具有极好的应用前景。

近日，我校机电工程学院陈雪副教授研究团队与西安电子科技大学彭彪林教授、桂林理工大学刘来君教授、清华大学李敬锋教授、英国克兰菲尔德大学张奇教授以及中国科学院北京纳米能源系统与研究所的王中林院士等联合攻关，采用p型氮化镓衬底，在Mn掺杂的Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃薄膜中成功实现宽温区内（270K-370K）的巨大的正、负电卡制冷效应，最大正电卡效应达到44.5K，最大负电卡效应达到23.5K，性能技术指标处于国际领先水平。相关研究成果以“P-GaN-substrate sprouted giant pure negative electrocaloric effect in Mn-doped Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃thin film with a super-broad operational temperature range”为题发表于国际顶尖学术期刊《Nano Energy》（IF=17.881，论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2021.106059）。

高性能铁电薄膜材料的制备是铁电薄膜领域所面临的行业痛点以及卡脖子问题。现有铁电压电薄膜的制备技术中，物理制备方法主要包括磁控溅射（MR）、脉冲激光沉积法（PLD），化学制备方法主要包括金属有机化学气相沉积法（MOCVD）、原子层沉积法(ALD)以及溶胶凝胶法(sol-gel)等。其中，MR、PLD、MOCVD、ALD等方法很难同时满足投资成本、运行成本低、重复性、均匀性、大面积制备、制备效率高、新品研发速率高、批量化制备程度高等商业化应用开发需求。针对上述问题，团队开发出了新型溶胶凝胶高性能铁电薄膜制备技术，通过胶体调配、薄膜旋涂、晶化处理等工艺路线（如图1），制备出晶粒分布均匀、致密化、晶粒取向可控、漏电流低的、绝缘性高的铁电薄膜。该技术目前可以实现晶圆级铁电薄膜的小批量稳定生产，后续将建立中试线，并向大尺寸高品质铁电薄膜材料产业化方向发展。

图1高性能铁电薄膜的制备工艺

巨大的电卡效应是电卡材料能实用化的关键，设计性能稳定、具有较大击穿电场和的铁电薄膜材料是推动电卡制冷技术发展的研究重点。团队提出了一种实现正负电卡效应的普适策略，采用调控衬底的方法，在电场作用下对Mn掺杂的Pb(Zr_0.3Ti_0.7)O₃薄膜进行相变诱导，实现了宽温区内的巨大正、负电卡制冷效应（如图2）。这一普适策略可使得材料成分无需受制于准同型相界准则的限制，使得四方相中负电卡效应的实现变得简单可操作。利用这一普适方法，铁电薄膜材料在可穿戴热管理器件、芯片精准热管理技术、固态制冷器件、5G基热理、动力电池原位热管理、航天航空热管理系统轻量化等领域等民用、军用领域中的使用性能得到极大的提升。

图2不同电场作用下，电卡效应与温度的关系

该研究成果采用衬底调控铁电薄膜的局域相结构和载流子输运行为，通过电场诱导铁电薄膜出现巨大的熵变，从而实现巨大的电卡效应，有望将电卡制冷技术推向实际应用，对研发超小体积、高效节能、环保无制冷剂的固态电卡制冷设备具有重要理论指导意义。