多尺度工程铁电陶瓷实现卓越电卡性能：一种同步获得大ΔT和高电卡强度的新策略

本期推荐：为解决传统电卡材料难以同步实现大温度变化(ΔT)和高电卡强度的问题，研究人员通过多尺度工程策略设计出具有三维化学异质性的Ba(Ti1-xSnx)O3体系。该材料在40 kV cm-1低电场下获得1.5 K的ΔT和0.375 K mm kV-1的电卡强度，且在30-50°C保持超过1.2 K的稳定性能，为高性能铁电材料设计提供了新范式。

　　

随着气候和能源问题日益严峻，开发环保高效的新型制冷技术迫在眉睫。电卡效应（Electrocaloric effect, EC）作为一种通过施加和移除电场（E）引发可逆等温熵变（ΔS）或绝热温度变化（ΔT）的物理现象，为下一代热管理提供了极具前景的解决方案。电卡效应本质上源于极性系统的极化变化，在各类电介质中，钙钛矿型铁电陶瓷的极化最易改变，因而被广泛研究用于EC制冷。然而，传统工程方法难以同步实现大而灵活的极化变化，导致无法同时获得大ΔT和高电卡强度（ΔT/ΔE）。常规铁电-顺电（FP）相变虽能产生大ΔT，但往往发生在远高于室温的居里温度（T_c），且温度窗口窄；而通过化学掺杂形成的弛豫铁电体虽拓宽了温度范围，却削弱了固有极化强度，需要高电场驱动，易引发击穿问题。

针对这一挑战，四川大学吴家刚教授团队在《Nature Communications》发表了一项创新研究，提出多尺度工程策略来增强系统极化熵，通过同步实现大而灵活的极化变化，在低驱动场下获得大ΔT。研究团队在异质Ba(Ti_1-xSn_x)O₃（BTS）体系中验证了这一设想，通过混合不同Sn含量的BTS颗粒增强系统极化异质性，成功制备出三维连接的化学异质陶瓷（BTS-M）。

研究采用颗粒混合法（granule-mixing）制备陶瓷样品：首先通过固相反应法合成BTS_0.03、BTS_0.06、BTS_0.09和BTS_0.12四种单独粉末，经造粒筛选获得400μm颗粒后按1:1:1:1质量比混合压片，在1380°C烧结形成BTS-M陶瓷。结构表征采用X射线衍射（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、能量色散光谱（EDS）、拉曼光谱和透射电子显微镜（TEM）；电学性能测试包括介温谱（ε_r-T）、电滞回线（P-E）和开关谱压电力显微镜（SS-PFM）；直接EC测量使用改良热流传感器记录温度变化；并通过相场模拟和密度泛函理论（DFT）计算分析机制。

电卡性能

直接测量显示，BTS-M在40 kV cm^-1电场下ΔT最大值达1.55 K（40°C），且在30-50°C范围内保持超过1.2 K的稳定性能，显著优于单个组分及其平均值。电卡强度达0.375 K mm kV^-1，在低于100 kV cm^-1场强下兼具大ΔT和高效率。

宏观异质性

XRD显示异常峰分裂，证实BTS-M存在异质性。SEM和EDS显示Sn分布高度不均匀，贫Sn区与富Sn区的原子百分比分别为0.69%和2.5%（理论差值为300%），表明烧结过程中Sn扩散形成三维化学异质性。拉曼图谱显示单颗粒内化学波动显著，SS-PFM测得BTS-M的切换电压（D_V）高于BTS_0.03，证实晶粒级化学波动。

局部结构特征

TEM显示BTS-M存在条纹状、纳米尺寸和斑状结构的多畴交织，畴尺寸和图案区域差异大。EDS映射显示Sn不均匀性从微米到纳米尺度存在。原子分辨HAADF图像显示极性矢量涉及菱方（R）、正交（O）和四方（T）相的非均匀状态，实际极化强度呈梯度分布。中间过渡区引入界面能（包括静电、弹性和梯度能），降低相间Landau能垒。

讨论与结论

多尺度结构研究揭示BTS-M存在微米-纳米级异质性，区别于单一组分。原位加热TEM显示畴结构稳定，EDS证实局部化学异质性可在宽温区提供极化变化。相场模拟表明：无电场时，BTS-M呈现多对称性（R、O、T相），无序态提升零场极化熵；施加电场时，化学异质性的三维连接促进极化旋转；撤场后多数畴可恢复，证实偶极子良好可逆性。

该研究通过多尺度工程策略成功优化了铁电陶瓷的EC性能，在低电场下同步实现大ΔT和高电卡强度。设计的化学异质性增强了系统极化熵，中间过渡区降低了能垒，为高性能EC材料设计提供了新范式。这一策略可推广至其他铁电材料体系，推动固态制冷技术的发展。