传统蒸气压缩循环冷却技术中使用的制冷剂是导致气候恶化的主要原因之一。面向生态环保和能源节约的迫切需求，探索低成本、高效率和高能量密度的新型环保制冷材料成为研究的重点与热点。基于电卡效应（ECE）的固态制冷技术高效节能、环境友好、快速制冷、易于集成等诸多优势，有望在集成电路、医疗设备和传感器等领域得到广泛应用。目前，最优的制冷电介质仍需超高外加电场激发制冷效果，极易造成材料老化与击穿。实现陶瓷材料的复合优化，探索兼顾大的温变、低驱动场强、宽工作温区的电卡材料成为该领域的难点与挑战。

基于以上难题，西安交通大学电信学部电子科学与工程学院靳立教授团队，通过将B位完全有序的Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃反铁电陶瓷材料和PbTiO₃铁电端元相结合，设计并顺利制备出Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃（PLN-xPT）的一系列固溶体陶瓷，实现了对该体系陶瓷微观结构与相变行为的精准调控。相场模拟揭示了组分固溶对极化的贡献，预测了电场/温度诱导的铁电-反铁电-顺电相（FE-AFE-PE）连续演变行为和微观结构演变。综合结构分析和直接测量法验证了x= 0.16组分的卓越ECE性能，包括3.03 K的大温变（∆T），20 kV cm^–1电场下0.08 K cm kV^–1的超高ECE强度，及31 °C的宽工作温区（T_span），在无铅和铅基电卡陶瓷中具有很强的竞争力。这种新型的设计策略和优化机制将指导高性能电卡材料的设计，并将促进基于电卡效应的下一代制冷系统的发展。

图1. Pb(Lu_1/2Nb_1/2)O₃-xPbTiO₃陶瓷体系的设计思路与电卡制冷循环示意图

该研究工作近日以《通过连续相变设计揭示低电场下的超高电卡效应》（Unveiling a giant electrocaloric effect at low electric fields through continuous phase transition design）为题发表于国际著名期刊《Advanced Powder Materials》上。

此外，相关系列研究工作以《提高B位复合反铁电体的室温电卡性能：一种协同设计方法》（Boosting room-temperature electrocaloric performance in B-site complex antiferroelectrics: A synergistic design approach）为题发表在国际材料领域权威期刊《Acta Materialia》上。

以《多相变设计实现铁电材料中的卓越电卡性能和超弱电致伸缩响应》（Engineering multiphase phase transitions for exceptional electrocaloric performance and ultraweak electrostrictive response in ferroelectrics）为题发表在《ACS Applied Materials & Interfaces》上。

该三项工作皆以西安交通大学为唯一通讯单位，电信学部电子学院博士生黄韵尧为第一作者，西安交通大学电子学院靳立教授和材料学院柯小琴教授为共同通讯作者。该研究工作得到了国家自然科学基金、陕西省重点研发国际合作项目等项目的资助。西安交通大学分析测试中心提供了相关测试表征支持。

论文链接：通过连续相变设计揭示低电场下的超高电卡效应（Unveiling a giant electrocaloric effect at low electric fields through continuous phase transition design）https://doi.org/10.1016/j.apmate.2024.100225

提高B位复合反铁电体的室温电卡性能：一种协同设计方法（Boosting room-temperature electrocaloric performance in B-site complex antiferroelectrics: A synergistic design approach）https://doi.org/10.1016/j.actamat.2024.120177

多相变设计实现铁电材料中的卓越电卡性能和超弱电致伸缩响应（Engineering multiphase phase transitions for exceptional electrocaloric performance and ultraweak electrostrictive response in ferroelectrics）https://doi.org/10.1021/acsami.4c09282