制冷技術在現(xiàn)代社會中扮演著越來越重要的角色，如日常溫度控制、食品儲存和工業(yè)制造。傳統(tǒng)的制冷技術主要基于蒸氣壓縮循環(huán)制冷，一方面由于壓縮機的存在導致器件難以微型化，另一方面氟利昂等制冷劑的使用會導致臭氧層破壞等環(huán)境問題。利用基于鐵電材料相變產(chǎn)生的電卡效應(EC)進行制冷作為一種新型的制冷技術，具有易于微型化、高效、環(huán)保等優(yōu)勢，因此有望應用于微電子器件的制冷。到目前為止，科學家已經(jīng)開發(fā)了各種無機鈣鈦礦和有機聚合物鐵電體，如BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3和聚偏氟乙烯(PVDF)。然而，它們大多數(shù)冷卻性能差，驅(qū)動電場大，操作溫度遠離室溫，這些缺點成為其實際應用的潛在瓶頸。因此，迫切需要開發(fā)能夠在室溫附近產(chǎn)生巨大電卡效應的鐵電材料。
近些年，有機-無機雜化鈣鈦礦家族成為最活躍的研究領域之一，其在光、電、磁、發(fā)光及光伏器件中具有廣闊的應用潛力。結構上，有機和無機成分的結合使雜化鈣鈦礦具有豐富的結構可設計性和化學多樣性，為鐵電材料的結構設計和探索提供了理想的平臺。更重要的是，無機鈣鈦礦框架之間的動態(tài)有機陽離子提供了很大程度的分子運動自由，能驅(qū)動產(chǎn)生大熵變的多重有序-無序相變。優(yōu)異的結構多樣性、大的熱交換能力和豐富的物理性能，使得雜化鈣鈦礦在高性能室溫電卡制冷方面具有潛在的價值。
中國科學院福建物質(zhì)結構研究所研究員羅軍華團隊在雜化鈣鈦礦鐵電材料[(CH3)2CHCH2NH3]2PbCl4中發(fā)現(xiàn)了室溫附近的巨電卡效應。該材料在室溫附近(302 K)時表現(xiàn)出劇烈的一級鐵電相變，具有顯著的自發(fā)極化(>4.8 μC/cm2)和相對較小的矯頑電場(<15 kV/cm)。更重要的是，室溫下，在較小的驅(qū)動電場作用下，實現(xiàn)了25.64 J/kg/K的等溫熵變和11.06 K的絕熱溫度變化，從而獲得優(yōu)異的電卡效應和制冷效率，單位電場作用下等溫熵變和絕熱溫度變化分別達到1.15 J·cm/kg/K/kV 和430 mK·cm/kV, 均高于傳統(tǒng)的無機和高分子鐵電材料。該工作不僅為雜化鈣鈦礦鐵電體的設計提供了有效方法，同時也為室溫固態(tài)制冷提供了一類潛在的具有優(yōu)異電卡效應的候選材料。相關成果發(fā)表在《自然-通訊》上。
具有一級相變的層狀雜化鈣鈦礦鐵電體展現(xiàn)室溫巨電卡效應
