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0.7BiFeO_(3)-0.3BaTiO_(3)陶瓷中极化翻转产生的巨电卡效应增加及Mn^(4+)离子掺杂对其介电、铁电性能的影响

物理学报 2022年第14期71卷 280-289页

作者：汤卉牛翔杨志朋彭小草赵小波姚英邦陶涛梁波唐新桂鲁圣国广东工业大学材料与能源学院广东省智能材料和能量转化器件工程技术研究中心广东省功能软凝聚态物质重点实验室广州510006 广东工业大学物理与光电工程学院广州510006

BiFeO_(3)(BFO)作为反铁磁性和铁电性共存的多铁性材料,其饱和极化强度理论值大于100μC/cm^(2),居里温度为830℃,具有较强的电卡效应.但是由于BFO高温烧结过程中Bi_(2)O_(3)易挥发,铁离子易变价,导致BFO中缺陷较多,漏电流较大,其铁电... 详细信息

BiFeO_(3)(BFO)作为反铁磁性和铁电性共存的多铁性材料,其饱和极化强度理论值大于100μC/cm^(2),居里温度为830℃,具有较强的电卡效应.但是由于BFO高温烧结过程中Bi_(2)O_(3)易挥发,铁离子易变价,导致BFO中缺陷较多,漏电流较大,其铁电特性难以发挥出来.虽然采用与BaTiO_(3)(BTO)等氧化物铁电体形成固溶体的方法可以减小漏电流,但是漏电流和高介电损耗问题仍然存在.本文试图通过添加锰离子到BFO-BTO固溶体的方法解决这一问题.采用传统的高温固相反应法制备了0.7BiFeO_(3)-0.3BaTiO_(3)+x%MnO_(2)(BFO-BTO+x%MnO_(2),其中x%为质量分数)陶瓷,研究了MnO_(2)掺杂对BFO-BTO固溶体的微观结构、介电和铁电性能的影响.值得注意的是,BFO-BTO+x%MnO_(2)样品测试结果证明少量掺杂MnO_(2)能降低BFO-BTO陶瓷的介电损耗和漏电流,这是由于掺杂Mn^(4+)补偿氧空位浓度所致.另外,0.7BFO-0.3BTO+0.5%MnO_(2)陶瓷在100 kV/cm时的最大极化强度达到50.53μC/cm^(2).最后利用热电偶直测法测试了BFO-BTO+x%MnO_(2)陶瓷的电卡效应,发现极化翻转方法能使BFO-BTO+x%MnO_(2)陶瓷的电卡效应翻倍增大,其中x=0样品从0至-30 kV/cm的变化与30 kV/cm至0的电场变化相比,增大近8倍,并且证实该方法同样适用于多晶一级相变铁电体.

关键词：铁电体介电损耗电卡效应

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纳米线电卡效应的表面应力与固溶改性相场模拟

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物理学报 2024年第10期73卷 50-58页

作者：邹幸朱哲方文啸湘潭大学材料科学与工程学院湘潭411100 中山大学集成电路学院深圳518107

以铁电纳米线为填料的复合薄膜表现出了满足固态制冷需求的高绝热温变,其平行分布填充的纳米线因和传统垂直分布的取向不同,被认为是获得大电卡效应的关键因素,然而其大电卡效应的内在机理尚不十分明确.因此本文以PbTiO_(3)纳米线为研... 详细信息

以铁电纳米线为填料的复合薄膜表现出了满足固态制冷需求的高绝热温变,其平行分布填充的纳米线因和传统垂直分布的取向不同,被认为是获得大电卡效应的关键因素,然而其大电卡效应的内在机理尚不十分明确.因此本文以PbTiO_(3)纳米线为研究对象,建立平行分布纳米线模型,通过相场模拟研究表面应力和固溶改性对其电卡效应的影响.结果表明,表面应力和固溶改性能够分别调控纳米线相变温度并获取大的绝热温变,并最终实现了在600 kV/cm电场下,0-300℃的宽温度区间获得大于6 K绝热温变的效果.同时结合三维畴结构的演变,揭示了诱发不同畴翻转类型是平行分布纳米线结构获得大电卡效应的内在机理.通过本研究为基于平行分布铁电纳米线电卡效应的固态制冷技术发展提供了有益的理论指导.

关键词：电卡效应纳米线表面应力固溶改性

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(111)取向无铅K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)外延薄膜的相变和电卡效应:外应力与错配应变效应

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物理学报 2022年第9期71卷 341-348页

作者：白刚韩宇航高存法南京邮电大学集成电路科学与工程学院南京210026 南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室南京210016

无铅K_(1–x)Na_(x)NbO_(3)薄膜作为传感器以及机电和电卡冷却装置的候选者越来越受到关注.但是(111)取向K_(1–x)Na_(x)NbO_(3)薄膜的相变与电卡效应的内在关联还并不清楚.本文首先推导出基于八阶朗道自由能多项式的(111)取向铁电薄膜... 详细信息

无铅K_(1–x)Na_(x)NbO_(3)薄膜作为传感器以及机电和电卡冷却装置的候选者越来越受到关注.但是(111)取向K_(1–x)Na_(x)NbO_(3)薄膜的相变与电卡效应的内在关联还并不清楚.本文首先推导出基于八阶朗道自由能多项式的(111)取向铁电薄膜的热力学势,并在此基础上建立了K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)薄膜温度-错配应变相图和室温错配应变-面外应力相图.重点研究了(111)取向K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)薄膜的室温电卡效应的应变和取向控制,这对于实际的电卡制冷应用至关重要.研究发现,在无面外应力和零错配应变下,三方铁电-顺电相变附近,30 MV/m电场下K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)薄膜在居里温度附近(约673 K)最大电卡绝热温变ΔT可高达18 K.施加约-6.7 GPa的面外应力可以有效地将居里温度降低至室温,但代价是最大绝热温变ΔT降低至7.5 K.本工作为应变和取向工程调控K_(1-x)Na_(x)NbO_(3)基薄膜的相变和电卡性能提供了理论指导.

关键词：铁电薄膜电卡效应取向应变

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无铅块体陶瓷的电卡效应:现状与挑战

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无机材料学报 2020年第6期35卷 633-646页

作者：喻瑛杜红亮杨泽田靳立屈绍波空军工程大学基础部西安710051 西安交通大学电子与信息学部电子陶瓷与器件教育部重点实验室西安710049

基于电卡效应的固态制冷技术,具有高效、环境友好、轻量、低成本和易于小型化等优点,是替代传统压缩机制冷的理想技术之一。在施加或去除电场时产生较大极化变化的铁电材料,则是制备基于电卡效应固态制冷器件的理想材料。近年来,人类对... 详细信息

基于电卡效应的固态制冷技术,具有高效、环境友好、轻量、低成本和易于小型化等优点,是替代传统压缩机制冷的理想技术之一。在施加或去除电场时产生较大极化变化的铁电材料,则是制备基于电卡效应固态制冷器件的理想材料。近年来,人类对环境可持续发展的需求,使无铅块体陶瓷的电卡效应研究成为铁电材料领域的研究热点之一。本文首先回顾电卡效应研究历史上的标志性事件,随后简要介绍电卡制冷的原理,提出了在室温附近获得宽温区和大电卡温变的材料设计思路,之后系统综述了BaTiO3基、Bi0.5Na0.5TiO3基和K0.5Na0.5NbO3基无铅块体陶瓷电卡效应的研究进展,重点分析了这三类无铅块体陶瓷电卡效应的独特优势和面临的挑战,最后对无铅块体陶瓷电卡效应的发展趋势进行了展望。

关键词：无铅块体陶瓷电卡效应击穿场强相变综述

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Pb0.3CaxSr0.7-xTiO3陶瓷的室温电卡效应（英文）

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无机材料学报 2019年第9期34卷 1011-1014页

作者：韩刘洋郭少波闫世光 RéMIENS Denis 王根水董显林中国科学院上海硅酸盐研究所无机功能与器件重点实验室上海200050 中国科学院大学北京100049 上法兰西理工大学法国瓦朗谢纳59313

电卡效应是极性材料中极化强度和温度的相互作用,具有电卡效应的铁电陶瓷材料在高效固态制冷领域有很好的应用前景。本研究以Pb0.3CaxSr0.7–xTiO3[PCST(x), x=0.00, 0.05, 0.10, 0.15]陶瓷为对象,系统研究了在电场作用下Ca含量对材料... 详细信息

电卡效应是极性材料中极化强度和温度的相互作用,具有电卡效应的铁电陶瓷材料在高效固态制冷领域有很好的应用前景。本研究以Pb0.3CaxSr0.7–xTiO3[PCST(x), x=0.00, 0.05, 0.10, 0.15]陶瓷为对象,系统研究了在电场作用下Ca含量对材料介电性能和铁电性能的影响,并通过间接法计算了不同温度下材料的电卡温变。研究结果显示:Ca含量可显著调控PCST陶瓷的弥散相变特性,PCST(0.05)的相变弥散因子随外加电场的增大而增大,可利用弥散相变在较宽温度区间内获得较大的电卡效应。经计算可得:PCST(0.05)在室温下可产生1.71 K的温变。当电场为8 kV/mm时, PCST(0.05)陶瓷在5~70℃的温度范围内,绝热温变均大于1 K,表现出优异的电卡效应。

关键词：电卡效应铁电陶瓷弥散相变

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Landau-Devonshire理论探究不同类型铁电材料的电卡效应

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物理学报 2020年第21期69卷 322-331页

作者：高荣贞王静王俊升黄厚兵北京理工大学材料学院北京100081 北京理工大学前沿交叉科学研究院北京100081

近年来,低成本、高效、环保的电卡效应制冷材料得到了广泛研究,其中包括无机钙钛矿、有机钙钛矿、有机聚合物、分子铁电材料和二维铁电材料等.这些不同铁电材料的相变类型和电卡性能各异,而造成其差异的物理起源尚不明确.本文选择传统... 详细信息

近年来,低成本、高效、环保的电卡效应制冷材料得到了广泛研究,其中包括无机钙钛矿、有机钙钛矿、有机聚合物、分子铁电材料和二维铁电材料等.这些不同铁电材料的相变类型和电卡性能各异,而造成其差异的物理起源尚不明确.本文选择传统无机钙钛矿BaTiO3,PbTiO3和BiFeO3,有机钙钛矿[MDABCO](NH4)I3,有机聚合物P(VDF-TrFE),分子铁电体ImClO4和二维铁电体CuInP2S6这七种材料,利用Landau-Devonshire理论,研究并对比了其温变、熵变和电卡强度.通过分析自由能与极化之间的关系发现,在相变点附近,铁电材料的自由能势垒高度随温度的变化率越大,造成的极化随温度的变化率越高,而材料的电卡性能也越优异.本文揭示了不同类型铁电材料电卡性能差异的物理起源,为进一步开发具有高电卡性能的铁电材料提供理论指导.

关键词：电卡效应铁电材料热力学计算 Landau-Devonshire理论

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基于水热合成粉末的Ba0.6Sr0.4TiO3厚膜陶瓷及其大电卡效应

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硅酸盐学报 2019年第12期47卷 1698-1703页

作者：邹艺轩黄咏安钟米昌姚英邦陶涛梁波鲁圣国广东省智能材料和能量转化器件工程技术研究中心广东省功能软凝聚态物质重点实验室广东工业大学材料与能源学院

通过两步水热法制备了纳米钛酸锶钡(Ba0.6Sr0.4 TiO3)粉体,利用流延成型法得到钛酸锶钡厚膜生坯,通过叠压、静水压、排胶及烧结后得到厚膜陶瓷。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、精密阻抗分析仪和铁电测试平台对其晶体结构、形貌、介... 详细信息

通过两步水热法制备了纳米钛酸锶钡(Ba0.6Sr0.4 TiO3)粉体,利用流延成型法得到钛酸锶钡厚膜生坯,通过叠压、静水压、排胶及烧结后得到厚膜陶瓷。使用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、精密阻抗分析仪和铁电测试平台对其晶体结构、形貌、介电性能以及铁电性能进行了表征。结果表明:两步水热法得到的钛酸锶钡纳米粉体形貌为均匀的准立方体,平均颗粒尺寸为50nm。烧结成厚膜陶瓷后平均晶粒尺寸达到2.2μm。通过电滞回线分析得到不同温度和电场下的极化强度,利用Maxwell关系得到电卡效应的绝热温变在温度253K以及电场5MV/m下达到0.62K。

关键词：钛酸锶钡两步水热法电卡效应多层陶瓷电容器

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<001>-取向(1-x)PbMg_(1/3)Nb_(2/3)O_3-xPbTiO_3单晶电卡效应的组分依赖性

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人工晶体学报 2015年第2期44卷 323-328页

作者：徐超祥罗来慧宁波大学微电子科学与工程系宁波315211

以取向的PMN-0.14PT,PMN-0.17PT,PMN-0.28PT为代表,研究了PT含量对PMN-x PT单晶电卡效应的影响。通过测试单晶的变温电滞回线,计算了PMN-0.14PT,PMN-0.17PT,PMN-0.28PT的电卡效应。计算结果显示PMN-0.14PT,PMN-0.17PT,PMN-0.28PT单晶的... 详细信息

以<001>取向的PMN-0.14PT,PMN-0.17PT,PMN-0.28PT为代表,研究了PT含量对PMN-x PT单晶电卡效应的影响。通过测试单晶的变温电滞回线,计算了PMN-0.14PT,PMN-0.17PT,PMN-0.28PT的电卡效应。计算结果显示PMN-0.14PT,PMN-0.17PT,PMN-0.28PT单晶的电卡效应最大值随着PT含量的增加而增加,在较小的4 k V/mm电场情况下,分别达到1 K,1.17 K,1.96 K。此外,电卡效应峰发生在居里温度介电峰附近,随着PT含量的增加,电卡效应峰越来越尖锐并移向高温方向。

关键词： PMN-PT 铁电电卡效应介电

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锡钛酸钡BaSnxTi1–xO3厚膜陶瓷的大电卡效应

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硅酸盐学报 2018年第9期46卷 1183-1190页

作者：李江路标李丹丹姚英邦梁波陶涛鲁圣国广东省功能软凝聚态物质重点实验室广东工业大学材料与能源学院

对无铅铁电材料锡钛酸钡（BaSnxTi1-xO3（BSnT））（x=5%,10%,15%,20%,摩尔比）陶瓷进行了研究,利用流延法得到锡钛酸钡膜带,采用X射线衍射技术对烧结后的厚膜陶瓷进行结构分析,利用扫描电子显微镜分析了样品形貌,测量了样品介温关系和... 详细信息

对无铅铁电材料锡钛酸钡（BaSnxTi1-xO3（BSnT））（x=5%,10%,15%,20%,摩尔比）陶瓷进行了研究,利用流延法得到锡钛酸钡膜带,采用X射线衍射技术对烧结后的厚膜陶瓷进行结构分析,利用扫描电子显微镜分析了样品形貌,测量了样品介温关系和电滞回线,并利用Maxwell关系对电卡效应进行了计算。结果表明：厚膜陶瓷BSnT在不同的Sn4＋掺杂量下的电卡效应有明显的差异,在x=0.05及外加电场10 MV/m时,绝热温变（△T）可达到2.1 K,且x=0.05的样品在5 MV/m的电卡效率最高达到0.24×10^6 K·m·V–1。无铅铁电陶瓷拥有大的电卡效应可望在制冷器件上作为制冷剂使用。

关键词：电卡效应流延法厚膜陶瓷锡钛酸钡

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钛酸锶钡(Ba0.7Sr0.3TiO3)厚膜陶瓷的大电卡效应和储能密度

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硅酸盐学报 2018年第6期46卷 801-806页

作者：代广周路标李丹丹姚英邦陶涛梁波鲁圣国广东省智能材料和能量转化器件工程技术中心广东省功能软凝聚态物质重点实验室广东工业大学材料与能源学院

采用固相反应法制备了钛酸锶钡（Ba0.7Sr0.3TiO33）精细粉体,通过流延法制备出厚度约55μm的厚膜陶瓷。利用X射线衍射和扫描电子显微镜分析了样品的物相组成和微观形貌。利用阻抗分析仪和铁电电滞回线测试仪测量了厚膜陶瓷样品的介电性... 详细信息

采用固相反应法制备了钛酸锶钡（Ba0.7Sr0.3TiO33）精细粉体,通过流延法制备出厚度约55μm的厚膜陶瓷。利用X射线衍射和扫描电子显微镜分析了样品的物相组成和微观形貌。利用阻抗分析仪和铁电电滞回线测试仪测量了厚膜陶瓷样品的介电性能和铁电性能。根据Maxwell关系估算了电卡效应,并根据电滞回线计算了储能密度和储能效率。结果表明：钛酸锶钡（Ba0.7Sr0.3TiO33）厚膜在330 K（57℃）Curie温度附近、30 MV/m电场下绝热温变达到3.43 K,同时在30 MV/m电场时储能密度达到1.43 J/cm^3,显示出良好的电卡性能和储能特性。

关键词：钛酸锶钡厚膜陶瓷电卡效应储能性能

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