缺陷偶极子工程增强铁电陶瓷电卡效应：为电子器件热管理提供新方案

《Nature Communications》：Enhanced electrocaloric effect in ferroelectric ceramics via defect dipole engineering

本刊推荐：针对电子器件高热耗散难题，研究人员通过缺陷偶极子工程策略调控BaTiO3铁电陶瓷的极化行为，成功实现卓越电卡效应。Sm3+和Li+共掺杂形成的(SmBa-LiBa)缺陷偶极子不仅增强材料极化率，还提高载流子激活能，突破高击穿强度与高极化间的固有矛盾。该研究在70℃（集成电路典型工作温度）下获得2.7 K的显著温变，为高性能固态制冷技术开辟新途径。

　　

随着人工智能技术的飞速发展，电子器件的运算速度和集成密度不断提升，热管理已成为制约下一代技术发展的关键瓶颈。研究表明，芯片温度每升高10℃，系统故障概率将增加一个数量级，超过55%的集成电路失效归因于过热问题。在此背景下，基于铁电材料电卡效应（electrocaloric effect, ECE）的固态制冷技术，因其高效、环保的特点成为解决热管理难题的重要候选方案。

传统铁电材料的电卡效应常面临高极化与高击穿强度之间的权衡困境。为此，华中科技大学张广祖团队在《Nature Communications》发表研究，提出通过缺陷偶极子工程策略调控BaTiO₃铁电陶瓷的极化行为，实现电卡效应的显著增强。研究人员通过共掺杂Sm³⁺和Li⁺离子，在BaTiO₃晶格中构建(Sm_Ba-Li_Ba)缺陷偶极子，这些具有高极化率的缺陷偶极子不仅增强了材料极化能力，还通过提高载流子激活能有效抑制电荷迁移，使材料在保持高击穿强度的同时承受更高电场，从而充分激活电卡潜力。

研究团队采用固态反应法合成Ba_1-2xSm_xLi_xTiO₃陶瓷，通过X射线衍射（XRD）和原子分辨率高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）确认缺陷偶极子的成功构建。电学性能测试显示，优化后的BT-0.03(Sm,Li)在150 kV cm^-1电场下极化强度达34.2 μC cm^-2，击穿强度提升至152 kV cm^-1。密度泛函理论（DFT）计算表明，缺陷偶极子与固有(Ti⁴⁺-O^2-)偶极子产生强耦合效应，增强Ti-O轨道杂化，进一步促进极化提升。

Construction of defect dipoles in BaTiO₃

通过XRD与STEM分析证实Sm³⁺和Li⁺离子协同占据A位形成(Sm_Ba-Li_Ba)缺陷偶极子，其沿[001]_c方向排列，与BaTiO₃自发极化方向一致。晶格c/a比分布统计显示缺陷偶极子引起显著晶格畸变，为增强极化奠定结构基础。

Dielectric property and polarization behavior

介电性能测试表明BT-0.03(Sm,Li)的介电常数峰值超过14,000，且具有扩散相变特征。在80 kV cm^-1电场下，其极化强度较纯BaTiO₃提升49%。阻抗谱分析显示缺陷偶极子将载流子激活能提高至1.829 eV，使材料电阻率超过10¹¹Ω·m。

Electrocaloric effect

电卡效应测试显示BT-0.03(Sm,Li)在室温150 kV cm^-1电场下产生1.54 K温变（ΔT）和2.00 J kg^-1K^-1熵变（ΔS）。在70℃接近集成电路工作温度时，ΔT进一步提升至2.76 K，ΔS达3.10 J kg^-1K^-1，在宽温域（25-70℃）内保持优异性能。

该研究通过缺陷偶极子工程成功打破铁电材料性能限制，为设计高性能电卡材料提供新范式。缺陷偶极子与固有偶极子的协同作用不仅增强极化能力，还通过能带调控提高击穿强度，使BaTiO₃基陶瓷在典型工作温度下实现领先的电卡性能。这一策略可推广至锆钛酸铅、铌酸钾钠等铁电体系，为电子器件热管理提供重要技术支撑。