材料科学与工程学院在《科学进展》发表研究成果

近日，材料科学与工程学院抗辐射铁电材料与器件研究团队取得重要研究进展，成果《反铁电薄膜植入铁电翻转滞回实现大负电卡效应》（Antiferroelectric Thin Films Embedded with Ferroelectric Switching Loop for Giant Negative Electrocaloric Effect）发表于国际顶级期刊《科学进展》（Science子刊《Science Advances》）。材料科学与工程学院博士研究生苏培培为论文第一作者，钟向丽教授、华东师范大学屈可副研究员和湖南大学钟高阔副教授为共同通讯作者，我校为论文第一完成单位。

三滞回反铁电薄膜的微观结构和电卡性能：(A)HAADF原子像及傅里叶变换分析和相应的Pb²⁺位移矢量统计图；(B)原子像对应的原子强度统计对比图；(C)三电滞回线结果；(D)在选定电场下基于麦克斯韦关系式计算的理论温变DT随温度的变化；(E)本工作与双滞回反铁电电卡性能对比图。

面向高效、环保且便于器件集成的制冷需求，基于电介质电卡效应的固态制冷技术被视为替代传统压缩制冷的理想候选方案。反铁电材料在电场诱导的可逆相变过程中可释放显著熵变，理论上具备产生较大电卡效应的潜力。然而，常规反铁电体在单一方向电压施加过程中，通常只经历“反铁电-铁电”单次相变过程，限制了反铁电体的电卡效应强度，制约其实际应用。为突破这一瓶颈，研究团队提出了一种反位缺陷设计策略，通过控制薄膜沉积工艺，在通常为偶极子呈四周期反平行排列的PbZrO₃薄膜中引入Pb_Zr反位缺陷，以其作为极性成核中心诱导出具有三周期偶极子调制构型的类铁电相，使薄膜呈现出独特的三电滞回线特征。麦克斯韦关系式计算的理论温变结果表明，具有三电滞回线特征的PbZrO₃薄膜在室温附近可获得高达-23.76 K的最大理论温变，较双电滞回线薄膜提升约6倍，这一显著增强主要源于两次场致相变过程中偶极熵变与晶格熵变的协同叠加。

该研究不仅为在反铁电基体中嵌入稳定铁电滞回环提供了可行的设计方案，更揭示了多重相变协同增强电卡效应的新机制。研究成果为电卡制冷技术在芯片级散热、微电子器件温控等高效冷却场景中的实际应用提供了材料设计参考和实验依据。

该团队长期致力于抗辐射高性能铁电材料与器件的设计、开发和服役可靠性研究，取得了一系列高水平研究成果。以我校为第一完成单位获得中国辐射防护学会技术发明一等奖和科技进步一等奖等奖励。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.aed5447