电卡材料性能Up！广以学者顶刊发文

近日，广东以色列理工学院材料科学与工程系谭启教授（共同通讯作者）与安徽大学合作在国际权威期刊《Acta Materialia》上发表题为“Tunable and anomalous electrocaloric behaviors in Bi0.5Na0.5TiO3-based relaxor enabled by dynamics of polar nanoregions”的研究论文，通过设计铁电-弛豫相界来获得高性能的电卡效应，为设计高性能的电卡材料提供有力指导，有望推动其在铁电制冷领域的实际应用。

值得一提的是，该研究首次从极性纳米微区的时间效应角度揭示相界处非常规电卡效应的物理机制。研究获MATEC重点实验室开放研究项目资助，彰显了广以学者在国际材料研究领域的前沿地位。

研究背景与问题

基于电卡效应的固态制冷器件有望取代传统蒸汽压缩式制冷而备受关注。铁电陶瓷电卡效应及其温度稳定性的提高与改善是走向实用化的关键，也一直是铁电制冷领域聚焦的科学问题。近年来，围绕弛豫铁电陶瓷的电卡特性研究虽取得积极进展，但电卡幅值及其温区仍有待于进一步优化。Bi0.5Na0.5TiO3 (BNT)基陶瓷由于其具有高铁电性和铁电-弛豫转变，有望通过其相变特性获得高电卡效应。另外，关于BNT基陶瓷NER-ER相界处非常规电卡效应一直是众多学者关注的焦点。厘清相关物理机制，对于设计高性能的电卡材料具有指导意义。

解决方案与成果

本研究通过在Bi0.5Na0.5TiO3-Ba(Ti, Hf)O3基底中引入端组元NaNbO3，实现铁电-弛豫相界的连续调控，电卡峰值逐步移至室温附近。在系列组分中均获取较宽的温区（ΔTspan = 50–60 K）和较高的电卡效应（ΔT = 0.66–0.94 K）。值得注意的是，电卡效应的特性与其局域结构和铁电性息息相关，高电卡效应保持在冻结温度Tf以上，而在该温度以下则降低明显。针对BNT基陶瓷NER-ER相界处非常规电卡效应等问题，作者从极性纳米微区时间效应的角度出发，揭示低场强和高场强下放热峰和吸热峰差值（ΔTg）存在的内在机制，即低场下极性纳米微区随时间演变逐渐形成铁电亚稳态（极性逐渐变强），高场下铁电相转变为极性纳米微区具有时间延缓性，两个过程均导致。该研究成果有力地阐述关于BNT基陶瓷相界处不对称电卡峰型的物理机制。

BNT基陶瓷的电卡效应调控及其对比

变温条件下BNT基陶瓷的局域结构和铁电性演变

BNT基陶瓷的非常规电卡效应以及低场(E = 3 kV/mm)

和高场下(E = 6 kV/mm)铁电性能随时间的演变

论文链接

https://doi.org/10.1016/j.actamat.2025.121093

期刊简介

《Acta Materialia》是无机材料领域公认的高水平期刊，是金属陶瓷领域的顶刊，以严格的同行评审和学术影响力著称。该期刊在JCR分区中常年位列Q1，2024年影响因子为8.3。

谭启(Daniel Tan)

材料科学与工程系教授、

副系主任

谭启教授于2018年8月由以色列理工学院招聘到广东以色列理工学院任教。他于1998年获得伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校材料科学与工程博士学位，1989年获得中国科学院固体物理研究所博士学位，师从葛庭燧院士，曾任教于中国科学技术大学。1994年，谭启教授前往美国阿贡国家实验室及伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校担任访问科学家。1998年，他加入霍尼韦尔国际公司，担任高级科学家并开发半导体行业所需的高K介电常数铁电材料。2000年，他受聘于CTS公司，担任高级工程师，负责开发高性能压电传感器和手机天线材料。随后12年，他就职于美国通用电气公司，致力于开创性纳米复合材料电子及储能的研究。2016年，他加入W.L. Gore担任高级科学家，进一步开展高温电容器和多空薄膜过滤技术的研究。

谭启教授发表、联合发表超过120篇期刊文章、2本大学教材、3本书籍章节及50份企业内部报告。作为一个创新者，他在陶瓷、聚合物、储能和电子器件领域拥有60项专利及商业秘密。作为企业及美国政府科技项目的首席科学家，率先开发了纳米绝缘介电复合材料、高温高能量密度电容器。谭启教授获得多个奖项，包括中国科学院自然科学奖一等奖，通用电气全球研究中心创新奖，2022年广东以色列理工学院最佳教学奖，2023年中国创新创业成果交易会最具投资价值科技成果奖等奖项。他同时还是MRS, ACERS, SPIE, iMAPS and IEEE等学术机构的成员及多家期刊的评审人。