文 ｜ 《中国科学报》 记者 王昊昊 通讯员 王捷
本期《自然-材料》封面。受访者提供图片
材料力学的应变工程在业内被称为“点石成金”。其重要手段之一是通过脉冲激光沉积技术，在某个衬底上延伸另一种薄膜材料，从而实现晶胞结构失配带来的延伸应变。
国防科技大学的研究团队与国内外多所高校和研究机构合作。受“点石成金”技术的启发，国防科技大学首次实现了应变增强的电卡效应，使体相钛酸钒材料的电卡制冷效率提高了10倍以上，甚至在居住温度(243K)附近提高了近百倍的制冷效率。这一结果日前在《自然-材料》中分别以长文和研究简报的形式发表，并被选为封面文章。
近百年来流行的制冷技术需要创新
制冷技术是人类文明进程中最重要的发明之一，也是现代生产生活中不可缺少的技术。近百年来，蒸汽压缩制冷技术一直占据着空调、冰箱等制冷市场的主导地位。
氢氟烃是蒸汽压缩制冷技术的核心制冷剂，但其在生产、使用和废弃过程中的泄漏导致不可逆的臭氧层破坏和温室气体排放。蒸汽压缩制冷系统在电子、医疗、新能源汽车等领域的应用受到能效和制冷功率密度低、体积和噪音大、不利于集成等问题的限制。
“行业一直在开发新的制冷技术。电卡制冷具有高效节能、环境友好、制冷快捷等诸多优点，是预计取代传统气体压缩技术的制冷方案之一。”国防科技大学副教授张森表示，如何实现更大的电卡效应和更宽的工作温度仍然具有挑战性。
什么是电卡效应？张森解释说，它是电偶极子在外加电场作用下有序无序的转换，从而产生热力学熵或温度变化的效果。
“微观世界里的电偶极子就像一群活泼可爱的孩子，在没有电场的情况下自由活动，秩序低；有电场的时候坐在座位上，秩序很高。”张森说，这种秩序的高低或混乱程度是熵，与热量或温度有关。因此，电场的变化带来了微偶极子的有序变化，进一步带来了热学熵或温度的变化，从而实现了制热或制冷。
张森介绍，寻找更高电卡效应的新材料，或者提高现有材料的电卡性能，是未来基于电卡制冷新设备研发的关键环节。
钛酸钒材料是一种被称为“先兆铁电体”或“量子顺电体”的材料，只有在接近绝对零度(-273℃)时才能显示出铁电性或电卡的制冷效果。那么，如何使钛酸钒的电卡效应更强呢？
大幅度提高制冷效率
天然材料中的电卡效应较弱，最佳工作温度较低或较窄。一方面，我们需要继续寻找或合成新材料来解决这些问题，另一方面，我们需要通过经典的混合或离子更换来提高电卡效应或无机材料中的工作温度。“但这往往会导致漏电甚至器件损坏，不利于工业应用。”张森说。
“钛酸钒材料‘基础好’，如何培养它产生新材料，是团队一直在思考的问题。”张森说，材料力学领域的“石头变成金子”技术已经应用于超导、磁性和铁电特性的调节。受此启发，团队将其应用于电卡增强，并取得了成功。
据报道，这项研究持续了7年多，仅论文就修改了30多份稿件。难度主要集中在高质量薄膜制备、结构精细表征、各种电气效应精确测试、朗道理论综合深入分析等方面。
研究小组反复验证和推敲，最终通过脉冲激光沉积技术在单晶衬底上延伸生长出高质量的钛酸钒膜，使钛酸钒固有的电卡效应在172K到300K的温度范围内增加10倍以上，在243K附近增强效果数百倍。这意味着原有的钛酸钒材料的电卡制冷效率提高了10倍以上，离实际应用更近了一步。
“我们提出的应变增强方案是一种新的思路，可以更好地避免漏电、设备损坏等问题，但这也对薄膜生长过程提出了更高的要求。”张森表示，研究提出了通过外延应变增强钙钛矿氧化物薄膜电卡效应方案，为电卡材料研究体系的拓展提供了新的思路，也为未来高效、节能、环保、便捷的新型制冷技术提供了重要参考。
据报道，在这篇论文的提交过程中，三位评审专家都给予了肯定，认为系统地表征钛酸邈材料，实现电卡及其增强效果“罕见”，代表了电卡领域的创新成果和重要进展。
在固体物理学中研究果蝇
这个团队的研究成果离应用还有多远？目前，张森表示，电卡效应已经在世界范围内得到了应用，其目标也十分明确，即创建低碳、环保的新型制冷技术。“虽然我们的研究结果具有很强的增强效果，但钛酸邈本身的效果太弱，最终增强后的电卡效应不是很高，可能离实际应用还有很长的路要走。乐观地估计，未来5-10年，其有望在红外制冷、芯片原位热管理等领域得到初步应用。”
KK诺贝尔物理学奖获得者. Alex Muller称钛酸邈为“固体物理中的果蝇”，从这种材料中发现了许多重要的固体物理现象，甚至其中一些还没有完全理解。
“目前，这项研究的价值更多地体现在对物理和材料科学的启示上。我们的研究以钛酸钒为例，证明了外延应变是增强现有材料电卡效应的有效方案，可以启发更多相关研究，从而促进无机电卡效应研究的发展和进步。”张森说。
有关论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01831-1
https://doi.org/10.1038/s41563-024-01836-w
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