[发明专利]一种兼具正负电卡效应的钛酸铋钠基薄膜及其制备方法

说明书

本发明属于电子功能材料与器件领域，具体涉及一种兼具正负电卡效应的钛酸铋钠基薄膜及其制备方法。本发明的钛酸铋钠基薄膜由基片、底电极、铁电薄膜层和顶电极组成，所述薄膜的组成通式为Nasubgt;0.5×a/subgt;Bisubgt;0.5×b/subgt;(Tisubgt;1‑x‑y/subgt;Wsubgt;x/subgt;Fesubgt;y/subgt;)Osubgt;3/subgt;，其中，1.01≤a≤1.02，1.01≤b≤1.04，0.01≤x≤0.02，0.01≤y≤0.02。在143℃附近，正绝热温变和等温熵变的峰值为目前报导中最大值：∆T~55 K，∆S~64 J Ksupgt;‑1 /supgt;kgsupgt;‑1/supgt;；在同一制冷循环内，54℃附近，负绝热温变和等温熵变的峰值为：∆T~‑17 K，∆S~‑26 J Ksupgt;‑1 /supgt;kgsupgt;‑1/supgt;。通过化学溶液法制备的该钛酸铋钠基薄膜具有电卡性能优异、环境友好、工艺简单以及成本低等优点，在芯片制冷、传感器及电子器件等温度控制领域具有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于电子功能材料与器件领域，具体涉及一种兼具正负电卡效应的钛酸铋钠基薄膜及其制备方法。

背景技术

制冷技术的应用已渗透到人们生活和生产的方方面面，在工农业生产、生物医疗、国防工业及尖端科学技术等领域有着迫切的需求。目前制冷仍几乎完全依赖于传统的压缩机技术，压缩机制冷存在能量消耗高、工作效率低、体积大、重量重、污染环境等问题。因此，研发能量转化效率高、小型化、环境友好的新型制冷技术已成为当务之急。

电卡效应是极性材料中因施加外电场的变化而导致的极化状态改变，极性偶极子有序度的改变引起材料熵的变化，从而产生了绝热温变或等温熵变的现象。电卡效应分为正电卡效应和负电卡效应，正电卡效应在撤去外电场的情况下由于电卡材料温度的降低完成制冷过程，与此相反，负电卡效应是施加电场的条件下完成制冷过程。电卡制冷走向实用化的关键在于高性能电卡材料的制备。自2006年，Mischenko等人在锆钛酸铅薄膜中发现了巨电卡效应后（参考文献：Giant electro-caloric effect in thin-filmPbZr_0.95Ti_0.05O₃. Science, 2006, 3 11(5765): 1270-1271），对薄膜电卡效应的研究持续增温。2009年，Correia 等人发现在Pb(Mg_1/3Nb_2/3)O₃-PbTiO₃在去极化温度附近获得大的正电卡效应（ T=25°C, ∆ T~9K）（参考文献：Investigation of the electrocaloric effectin a PbMg_2/3Nb_1/3O₃-PbTiO₃ relaxor thin film, Appl. Phys. Lett., 2009 95:182904）。2019年，彭彪林等人利用相变诱导无铅弛豫铁电薄膜0.5(Ba_0.8Ca_0.2)TiO₃-0.5Bi(Mg_0.5Ti_0.5)O₃中产生巨大的负电卡效应（ T=163°C, ∆ T~-42.5K）（参考文献：Phase-Transition Induced Giant Negative Electrocaloric Effect in a Lead-FreeRelaxor Ferroelectric Thin Film. Energy Environ. Sci., 2019 12: 1708-1717）。为了提高制冷效率满足电卡制冷器件的要求，获得大的绝热温度变化值∆ T无疑是一种有效的办法，另外，若同一种材料中发同时存在正负电卡致冷，可通过调整电场方向依次采用不同的电卡效应连续制冷。