[发明专利]一种电卡效应致冷复合厚膜材料

说明书

技术领域

本发明涉及微型致冷器技术领域，特别涉及反铁电厚膜致冷技术，具体涉及一种电卡效应致冷复合厚膜材料。

背景技术

随着微机电系统及信息技术的飞速发展，微执行器和微位移器等微机电系统器件在进一步微型化与集成化的过程中，小尺寸特征及一定的体积热容与微型驱动电源的高能量密度之间的矛盾日益突出，急需微型冷却系统对器件进行局部冷却。传统的致冷方式，如CPU风扇、热交换器等与待冷却器件是相对独立的器件，致冷工作时两者之间存在一定的热阻，不利于微机电系统的集成和高效致冷，而降低环境温度亦不能起到很好的局部冷却作用。电卡效应致冷作为一种新型致冷方式得到了广泛的关注，其具有致冷系数大、能量转换效率高、易实现集成化等特点，因此基于电卡效应的材料更适合开发室温附近致冷微型器件。

多离子掺杂锆酸铅(Pb_1-3z/2La_z)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃(0≤x≤0.45,0≤y≤0.10,0≤z≤0.06,)基反铁电材料在外加电场及温度场的诱导作用下发生反铁电—铁电相变，在此相变过程中，伴随着巨大的熵变，从而产生巨大的致冷效应，且致冷效应的极大值发生在室温附近并具有较宽的工作温区。另外，同铁电材料一样，反铁电材料在居里温度附近也可以产生显著的致冷效应，并通过合适的组分选择，可以得到相变温度连续可调的弛豫反铁电体。近年来，对电卡效应致冷的研究主要集中在材料的化学组成、几何形状和尺寸对致冷效应的影响。其中，厚膜材料具有良好的耐击穿强度和较大的体积热容，且完全满足微机电系统的技术要求，有望发展成小型化、低功耗、高效率的新型致冷器。然而，采用溶液-凝胶法制备的反铁电厚膜容易出现“死层”现象，因而亟需开发一种解决“死层”现象的方法，以提高反铁电厚膜致冷效应。

发明内容

本发明的目的在于提供一种致冷效应好的反铁电厚膜材料，同时提供一种提高反铁电厚膜致冷效应的方法。本发明的提出是基于发明人的大量实验研究，发现在底电极和锆酸铅基反铁电厚膜之间沉积一定厚度的氧化物作为缓冲层，可以提高其介电性能和致冷效应，适用于高致冷效率和高能量转换效率微型致冷器的开发。氧化物缓冲层和反铁电厚膜形成的复合厚膜材料具有高介电常数、高致冷效率和高能量转换效率，将成为无压缩机、无机械部件和易操作的新型微机电系统致冷器。

本发明是通过如下技术方案实现的：

一种电卡效应致冷复合厚膜材料，其特征在于，所述复合厚膜材料包括SrTiO₃缓冲层和(Pb_1-3z/2La_z)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃反铁电厚膜层，其中：0≤x≤0.45,0≤y≤0.10,0≤z≤0.06，所述SrTiO₃缓冲层位于

基底与(Pb_1-3z/2La_z)(Zr_1-x-ySn_xTi_y)O₃反铁电厚膜层之间。

进一步地，所述的SrTiO₃缓冲层的制备包括如下步骤：

(1)SrTiO₃前驱体溶液配制

以乙酸锶和钛酸四正丁酯为原料，乙二醇甲醚为溶剂，乙酰丙酮为螯合剂，冰乙酸为催化剂，其摩尔比为：乙酸锶：钛酸四正丁酯＝1：1，乙二醇甲醚：冰乙酸：钛酸四正丁酯：乙酰丙酮＝0.5～1:0.3～1:1:0.3～1，配置SrTiO₃前驱体溶液；

(2)SrTiO₃缓冲层的制备

将步骤(1)中制得的SrTiO₃前驱体溶液通过旋转涂覆的方法涂覆在基底上，旋转涂覆的速度为3000～5000转/分；然后将涂覆有SrTiO₃湿凝胶膜的基体在650～750℃下热处理5～20分钟，取出后冷却至室温，即可得到SrTiO₃缓冲层。

进一步地，所述基底为LaNiO₃/Si底电极，SrTiO₃前驱体溶液的摩尔浓度控制在0.02～0.2mol/L，单次旋转涂覆的时间为20～40秒，循环往复旋转涂覆及热处理和冷却步骤至SrTiO₃缓冲层至所需厚度。