上海交通大学最新Science

电热效应要求最大的极域自由度(DOF)和最低的能垒以促进极化的转变。然而，对块体铁电体的自由度和能量势垒的优化—包括畴尺寸、结晶度、多构象共存、极性相关和其他因素—已经达到了极限。

2023年11月30日，上海交通大学钱小石团队在Science 在线发表题为“Colossal electrocaloric effect in an interface-augmented ferroelectric polymer”的研究论文，该研究报道了一种利用界面增强铁电聚合物中的巨大电热效应的策略。

研究人员以有机晶体二甲己二醇(DMHD)作为三维牺牲载体，在聚偏氟乙烯基三元共聚物的非均相界面上组装极性构象。蒸发DMHD后，类外延过程产生了一个分布超细、多构象共存的极性界面，具有巨大的构象熵。在低电场条件下，界面增强三元共聚物的熵变达到100 J/(kg·K)。这种界面极化策略一般适用于介质电容器、超级电容器等相关应用。

气候的变化，以及众所周知的能源短缺，要求开发更节能的即时制冷和供暖技术。基于电热效应(ECE)的制冷采用固态材料作为电容性制冷剂，通过有效的充放电。与许多其他有前途的替代方案相比，EC制冷(ECR)直接使用电力，不需要其他重型附件，如磁铁、执行器或压缩机。除了大规模应用外，ECE制冷还可能用于局部环境、便携式电子设备和其他可穿戴设备的轻质热管理。考虑到电气稳定性和功耗等实际问题，降低诱导大ECE所需的电场是ECR商业化的主要挑战。

ECE来自由电场连接的两个极性熵态之间的差。理想情况下，这两种状态应该有很大的熵差，但需要克服的能垒很小。因此，弛豫铁电体由于熵变所带来的大极化，目前在电导研究中占主导地位。为了增强宽温度窗内的熵变，这些铁电体已经通过许多方法进行了修饰，例如铁电聚合物的缺陷修饰、陶瓷的多相共存和超临界转变。例如，在经过充分研究的聚偏氟乙烯-三氟乙烯-三氟乙烯[P(VDF-TrFE-CFE)]中，通过增加整体结晶度而抑制大晶体的形成，大大增强了内在ECE。当晶体尺寸从50 nm减小到20 nm时，所得极性高熵铁电聚合物显示出巨大的ECE。

在高能电子辐照的P(VDFTrFE)共聚物中，当它们从正常铁电体转变为弛豫铁电体时，也可以发现类似的EC增强，因为辐射减小了极性畴的大小并引入了多构象共存。因此，进一步减小极性实体的尺寸到亚纳米尺度似乎是一个合理的策略。然而，尽管有富有成效的假设结果，由于涉及复杂的聚合物结晶过程，进一步将晶体尺寸减小到亚纳米尺度是极具挑战性的。

DMHD诱导的界面增强TP表现出巨大的ECE（图源自Science ）

该研究将有机晶体二甲基己二醇(DMHD)—它与基于TP的材料高度混溶，且具有较低的沸点温度—与TP作为外延的亚纳米级3D基质混合，在非均相界面诱导极性构象的自组装。DMHD晶体的逃逸留下了亚纳米尺度的孔隙，当使用两种不同的原子力显微镜-红外(AFM-IR)光谱时，观察到一个极性增强界面。界面增强型微孔聚合物的ECE是普通TP的4倍。在相当于击穿场的20%的低电场(EB)下，聚合物的熵变为~100 J/(kg·K)， EC强度大于1 J/(kg·K·MV) (MV，兆伏)。因此，探索电介质中的二维极性结构可能会在提高铁电聚合物的ECE方面取得成果，并可能为EC研究的过渡铺平道路，类似于从介电电容器到超级电容器的过渡。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adi7812

转自：“iNature”微信公众号

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