铁电材料局域结构工程实现室温巨本征电卡效应

研究人员通过设计BaTiO3基陶瓷的局域有序结构，将居里温度调控至室温附近并保持尖锐相变，获得ΔT/ΔE达-1.0 K·mm/kV的巨本征电卡效应（EC），为替代传统蒸汽压缩制冷技术提供了新材料解决方案。

　　

随着全球气候变化加剧，开发环境友好型制冷技术迫在眉睫。传统蒸汽压缩制冷系统因温室气体排放问题面临淘汰，而基于电卡效应（Electrocaloric Effect, EC）的固态制冷技术因其零排放、高效率等优势成为研究热点。铁电材料作为EC效应的核心载体，其性能提升面临两大瓶颈：室温工作区间与高本征响应难以兼得。以BaTiO₃（BT）为代表的铁电体虽在居里温度（T_C≈120°C）附近表现出强EC效应，但室温下因稳定铁电相导致极化变化率（?P/?T）骤降；而常规化学改性虽可调节T_C至室温，却以牺牲长程有序结构为代价，导致本征EC效应弱化。

四川大学（根据第一作者Bo Wu的通讯地址^1,2推断）领衔的研究团队提出创新解决方案：通过同价离子（Sr²⁺/Sn⁴⁺）掺杂构建局域有序结构，在Ba_0.87Sr_0.13TiO₃-xBa_0.87Sr_0.13SnO₃（BST-xBSS）体系中实现T_C精准调控至室温，同时保持尖锐相变与高介电常数（ε_r≈12,400）。该成果以"Giant intrinsic electrocaloric effect in ferroelectrics by local structural engineering"为题发表于《Nature Communications》。

研究采用密度泛函理论（DFT）指导材料设计，结合传统固相法制备陶瓷样品，通过X射线衍射（XRD）、原位同步辐射、扫描透射电镜（STEM）等多尺度表征技术，结合介电/铁电性能测试与直接/间接EC效应测量，系统解析材料构效关系。

化学改性设计有序局域结构

DFT计算证实Sr²⁺/Sn⁴⁺掺杂引入的晶格畸变能（<3 meV/atom）远低于Bi³⁺/Nb⁵⁺等异价离子（>20 meV/atom），保障了原子尺度结构有序性。XRD精修与拉曼光谱显示BST-0.08BSS存在三方（R）-正交（O）-四方（T）三相共存，形成临界多相点效应增强介电响应。

本征电卡性能突破

间接法测得BST-0.08BSS的?P/?T达-0.15 μC/cm²·K，ΔT/ΔE创纪录达-1.0 K·mm/kV，较纯BT提升5倍。差示扫描量热法（DSC）直接测量验证该结果，2.5 kV/cm弱场下即可产生0.25 K温变，性能超越PMN-PT等铅基材料。

微观结构起源解析

STEM揭示多尺度纳米畴（10-180 nm）与梯度偶极旋转分布：

1. HAADF-STEM显示A/B位离子强度标准差仅3.4/3.2，证实局域结构高度有序

2. 偶极角统计表明T相（[001]方向）主导，伴随O相（[011]）和R相（[111]）贡献，降低极化旋转能垒

3. 压电力显微镜（PFM）显示畴翻转电场（1.0 kV/cm）仅为纯BT的1/3

该研究通过"有序改性-多相调控-畴工程"协同策略，首次在室温附近实现兼具高本征EC强度与实用化潜力的铁电材料，为固态制冷器件开发奠定基础。其创新性体现在：

1. 建立局域畸变能与EC效应的定量关系，提出同价离子掺杂设计准则

2. 发现多尺度纳米畴与梯度极化分布的协同增强机制

3. 示范了DFT计算-材料制备-性能测试-机理分析的全链条研究方法