铁电材料与多铁性材料的熵变效应研究

论文摘要

电熵效应是指在可逆及绝热条件下施加外电场使得可极化材料产生温度的改变。电熵效应为实现固态散热设备的应用（如基片散热、传感器及电子器件的温度调节）提供了一个有效途径。基于电熵效应的制冷技术更加节能与环保,因此可替代传统的蒸汽压缩制冷技术。此外,磁熵效应也类似于电熵效应。一般来说,显著的电熵/磁熵效应需要与极化强度/磁化强度改变相关的大的熵的改变,而铁电材料能够产生大的极化强度的改变,以及多铁性材料由于存在极化序参量与磁化序参量之间的强磁电耦合效应,因此铁电材料和多铁性材料可作为具有较强的熵变效应的典型材料。本文运用改进的朗道-金兹堡格-德文希尔热力学理论研究了铁电超晶格材料的电熵效应,以及多铁性材料BiFeO3的磁熵及电熵效应。1铁电超晶格的电熵效应研究基于改进的Landau-Ginzburg-Devonshire （LGD）的热力学理论,我们对Pb(Zr0.3Ti0.7)O3/PbTiO3（PZT/PT）与Ba0.7Sr0.3TiO3/SrTiO3超晶格的电熵效应做了深入的研究,并考虑了两种材料之间的失配应变。计算结果表明它们的绝热温差要高于BaTiO3体材料（当△E=100kV/cm,△T=1.6K）,也高于PbZrxTi1-xO3固溶体（当△E=100kV/cm,△T=6.5K）。此外,我们还考虑了两种材料的组分比例以及界面耦合强度两个因素对电熵效应的影响。我们发现绝热温度差在铁电超晶格的铁电-顺电相变区域处出现峰值。此峰值不仅随着界面耦合因子的增强而增大,而且移向高温区。对于PZT/PT超晶格而言,Pb(Zr0.3Ti0.7)O3组分的增大有利于电熵效应的增强,并使得绝热温差峰值出现的温度向室温靠近,峰值明显高于实验上所测量的铁电薄膜PbZr0.95Ti0.05O3的绝热温差峰值（当△E=480kV/cm,△T=12K）。对于Ba0.7Sr0.3TiO3/SrTiO3超晶格,随着量子顺电体SrTiO3所占的厚度比例的增大,电熵效应明显增强,表明了SrTiO3对外界的扰动尤其是外加电场十分敏感。随着界面耦合的增强,Ba0.7Sr0.3TiO3/SrTiO3超晶格的绝热温差也明显增强。界面耦合强度的增大,增强了内部电偶极子方向翻转的一致性,使得极化强度随外电场的变化增大,导致电熵增大。由于铁电超晶格的周期对称性以及界面敏感性,其电熵效应可通过改变材料的组分比例以及界面耦合情况来调控。这为将来实践上的应用提供了很好的参考价值。2单相多铁性材料BiFeO3的熵变效应结合修正的LGD理论及磁化双子格模型,我们拟合了单相多铁性材料BiFeO3陶瓷的磁化强度,能与实验结果很好地稳合。同时研究了其磁熵效应、电熵效应以及介电特性。BiFeO3材料具有高的居里温度和奈尔温度,具有潜在的实际应用价值。计算表明BiFeO3陶瓷的磁熵效应比较小,这可能与其内部磁化的空间非公度正弦调制结构有关。当外加很大的磁场时,绝热温度差ΔT依然比较小。当外加电场时,绝热温度差ΔT在铁电相到顺电相转变的居里温度处出现比较大的峰值,表现出良好的电熵效应（当△E=200kV/cm时,绝热温度差达到4.8K）。此外,当外加一个比较小的电场时,BiFeO3陶瓷具有巨大的介电常数,可以用来制作电容器件。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1 铁电超晶格材料的研究进展
• 2 铁电材料电熵效应的研究进展
• 2.1 铁电材料电熵效应的实验研究进展
• 2.2 铁电材料电熵效应的理论研究进展
• 2.3 电熵效应的应用前景
• 3 多铁性材料熵变效应的研究进展
• 3.1 多铁性材料概述
• 3.2 磁熵效应的研究进展
• 3 的研究进展'>3.3 单相多铁性材料BiFeO₃的研究进展
• 3.4 多铁性材料的熵变特性研究
• 3.5 磁熵效应的应用前景
• 4 本文的主要工作
• 参考文献
• 第二章 铁电超晶格的电熵效应研究
• 1 理论模型和计算方法
• 2 组分比例对铁电超晶格电熵效应的影响
• 3 界面耦合强度对铁电超晶格电熵效应的影响
• 4 超晶格材料的制冷能力RC
• 5 本章小结
• 参考文献
• 3的熵变效应研究'>第三章 单相多铁性材料BiFeO₃的熵变效应研究
• 3 材料熵变效应的理论研究'>1 BiFeO₃材料熵变效应的理论研究
• 3 的磁熵效应与电熵效应'>2 室温下BiFeO₃的磁熵效应与电熵效应
• 3 的介电特性研究'>3 BiFeO₃的介电特性研究
• 4 本章小结
• 参考文献
• 第四章 总结与展望
• 攻读硕士学位期间发表的论文
• 致谢