南京师范大学合作最新Science

有效控制传热对节能减排至关重要。与导电方面的成就相比，热传递的主动控制更具挑战性。铁电体由于其可调谐的畴结构而成为热开关的有希望的候选者。然而，铁电体的开关比很低(<1.2)。

2023年12月15日，东南大学陈云飞及哈尔滨工业大学陈祖煌共同通讯（刘晨晗、司洋洋和东南大学张华为共同第一作者）（南京师范大学为单位）在Science在线发表题为“Low voltage–driven high-performance thermal switching in antiferroelectric PbZrO3 thin films”的研究论文，该研究报道了一种高质量的反铁电PbZrO3外延薄膜，其在小电压(<10 V)下表现出高对比度(>2.2)、快速度(<150纳秒)和长寿命(>107)的热交换。原位倒易空间映射和原子模型表明，场驱动的反铁电-铁电相变诱导了原始细胞尺寸的显著变化，这极大地调节了声子-声子散射相空间并导致了高开关比。这些结果推进了铁材料热输运控制的概念。

余热的回收和管理对于节能减排具有重要意义，因为世界上约60%的能源被浪费为热能。这就需要有效利用余热和主动控制传热。热传递的一种形式是声子传输。虽然调制声子输运比电子输运面临更大的挑战，但由于声子器件的概念化，声子输运的主动和可逆控制以减轻与热相关的担忧已经激发了广泛的研究兴趣。到目前为止，声子传输或导热系数k(即热开关)的主动和可逆控制已经通过许多不同的方法进行了探索：应变工程、光触发分子链排列、电化学控制相变或离子插入，温度触发相变和电场驱动的畴壁密度变化等。在实际应用中，高性能热开关应满足三个关键条件：高开关比、大开关周期、短开关时间。尽管对各种材料的热开关方法进行了广泛的研究，但很难找到一种在室温下满足所有三个基本条件的材料。

铁电(FE)材料是热开关的潜在候选材料，因为它们具有快速偶极子开关和电可调谐的畴结构，可以通过声子畴壁散射的作用来调节导热性。然而，在室温下，铁电体中观察到的开关比(λ= kon/koff)相当低，约为1.1至1.2。最近的观察表明，低开关比源于域大小和声子平均自由程之间的不匹配。也就是说，在室温附近，由Umklapp主导的声子平均自由程(在几纳米到几十纳米范围内)远短于畴尺寸(在几十到几百纳米范围内)，导致畴壁对导热性的影响较弱。由于相变可以直接改变晶格结构，从而实现声子平均自由程的大范围调制，因此也可以用于铁材料的热交换。然而，在电场驱动下的相变诱导热开关的观察报告是缺失的。

外部电压或电场触发“ON”和“OFF”模式示意图（图源自Science ）

该研究报道了一种低电压驱动的高对比度、快速度和长寿命的反铁电PZO热开关，该热开关采用了一种可逆调节原始细胞内原子数(n)的新机制。热开关是通过简单地打开或关闭外部电场来实现的，这意味着没有运动部件。这将有助于促进基于PZO的热开关与其他系统的集成。这些发现促进了对(反)铁电体中声子输运的理解，并为实现热传递的主动控制提供了有效的策略。

论文的第一作者为南京师范大学刘晨晗副教授、哈尔滨工业大学（深圳）博士研究生司洋洋和东南大学博士研究生张华。论文的通讯作者为哈尔滨工业大学（深圳）陈祖煌教授和东南大学陈云飞教授。参与研究的还有北京科技大学邓世清副教授、中国科技大学罗震林研究员和苏州大学许彬教授等国内外高校及研究机构的学者。

原文链接：

https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9669

转自：“iNature”微信公众号

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