近日，350vip浦京集团·(中国)有限公司学院电介质材料与元器件团队在反铁电材料电卡效应方面取得重要进展，研究成果以“Effect of memory behavior on electric-field-induced phase transition and electrocaloric response in antiferroelectric ceramics”为题发表于应用物理国际知名期刊《Applied Physics Letters》（中科院二区，IF=4.0）。论文第一作者为学院青年教师李俊杰博士，成都信息工程大学为第一署名单位。
基于电卡效应的铁电制冷技术具有高能效、零排放、易操控、无噪声等突出优势，被认为是一种极具发展潜力的新型制冷方案。近年来，反铁电材料由于优异的电卡性能吸引了研究者的持续关注。先前研究（Scripta Materialia, 2021, 191, 143-148）表明，电场历史会在反铁电陶瓷中造成极化记忆效应，从而对其场致相变的临界电场造成重要影响；而反铁电陶瓷的场致相变特征与电卡效应密切相关。因此，记忆效应也势必会影响反铁电陶瓷的电卡效应。
该论文以Pb0.99Nb0.02[(Zr0.6Sn0.4)1-xTix]0.98O3（PNZST100x）陶瓷为例，结合直接电卡热流信号测试、自定义电滞回线表征及朗道理论模型分析，首次揭示记忆效应对反铁电材料电卡效应的影响规律。首先，分别利用足够大的正、反向电场对具有双电滞回线的典型反铁电陶瓷进行充分预极化，构造不同方向的极化记忆效果；随后，通过不同大小（不高于预极化电场）的正向工作电场测试其电卡效应。结果表明，与反平行条件相比，当工作电场平行于预极化电场时，记忆效应会明显降低电卡信号出现的阈值电场。此外，当温度略高于铁电-反铁电相变温度时，记忆效应甚至会导致异常的电卡热响应：去电场时，先瞬间吸热，再缓慢吸热。这可归因于两步微结构变化，瞬间吸热对应于铁电畴的快速翻转，而缓慢吸热对应于缓慢的铁电-反铁电相变过程。朗道理论分析表明，这种等温相变过程是由动力学亚稳的场致铁电相与热力学稳定的反铁电相之间的竞争关系造成。
该论文丰富了场致相变和电卡效应的物理图像，对推进电卡效应的理论发展和实际应用具有重要意义。该论文也是李俊杰博士继Journal of Advanced Ceramics, 2023, 12(3): 463-473（中科院一区，IF=16.9，封面文章）之后关于电卡效应的又一重要研究成果。
图1 典型电卡效应的等温热流曲线（灰色圆）及热流峰拟合曲线（红线）
图2 经过不同方向的预极化处理后，PNZST5反铁电陶瓷的极化行为和电卡效应。(a)自定义电场激励模式；(b)利用自定义模式获得的单极电滞回线和电流密度曲线；(c)等温热流曲线；(d)电卡效应绝热温变曲线。
图3 PNZST8反铁电陶瓷在略高于相变温度时的极化行为和电卡效应。(a)不同电场下的等温热流曲线；(b)自定义电场激励模式下的电滞回线；(c)初始极化强度、最大电流密度值及其对应电场随弛豫时间的变化曲线；(d)微结构演变示意图。
图4 二维Ginzburg-Landau-Devonshire模型。(a)自由能等值线示意图；(b)PNZST5陶瓷中自由能与极化强度的关系曲线；(c)PNZST8陶瓷在略高于相变温度时自由能与极化强度的关系曲线；(d)极化后，PNZST8陶瓷在略高于相变温度时自由能随弛豫时间变化规律。
