[發明專利]一種含電極鐵電材料產生大電卡效應的相場模擬方法

在審

• 申請號: 201910519720.1
• 申請日: 2019-06-17
• 公開（公告）號: CN110222456A
• 公開（公告）日: 2019-09-10
• 發明（設計）人: 黃成;袁鎮宇;孫曉峰;武之煒;張暢
• 申請（專利權）人: 常州工學院
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G16C10/00;G16C20/80
• 代理公司: 南京知識律師事務所 32207
• 代理人: 高桂珍

本發明公開了一種含電極鐵電材料產生大電卡效應的相場模擬方法，包括如下步驟：基于相場理論，采用極化場作為第一序參量，結合力學平衡方程、電學平衡方程和Ginzburg?Landau相場動力學方程，將電極完全共燒于模型中，電極周圍的電疇相互作用，相互交換能量，達到平衡狀態，以此建立多場耦合的新相場模型；通過FORTRAN編寫含電極鐵電單元程序，利用FEAP快速求解器實現了含電極鐵電單晶電?熱耦合問題的求解；將FEAP有限元求解得到的場變量導入至Fortran編寫的后處理程序中，運用TECPLOT和ORIGIN軟件得到可視化場變量結果；通過調控電極的尺寸和排布，獲得在室溫與低電場條件下的巨電卡效應。

技術領域

本發明涉及一種相場模擬方法，特別涉及一種含電極鐵電材料產生大電卡效應的相場模擬方法。

背景技術

鐵電材料的電卡效應，是指因外電場的改變導致鐵電極化場發生改變，從而產生的絕熱溫變或等溫熵變。在絕熱條件下，對鐵電材料施加電場使極化場有序增加，導致溫度上升，反之，移去電場導致溫度下降，實現電卡制冷。圖1為鐵電電卡制冷的工作原理示意圖。首先，在絕熱條件下，對鐵電材料施加電場使極化場有序增加，導致溫度上升；然后與散熱片接觸，自身溫度降低，保持電場不變；接著與散熱片斷開并移去電場，導致溫度下降；最后與負載接觸，將熱量吸收到鐵電材料中實現鐵電電卡制冷。鐵電制冷技術相對于傳統的蒸發-壓縮制冷而言，具有小型化、轉化率高、環境友好等優點，是微型電子器件理想的制冷方案。

然而，鐵電電卡效應在早期研究中，因其擊穿電場低且材料選擇范圍單一，很難實現工程應用。直到Mischenko等在鐵電薄膜的一次實驗中，由鐵電相至順電相的相變過程發現了鐵電材料的巨電卡效應，進而引發了研究固態制冷效應的熱潮。其后Neese等獲得了常溫附近的巨電卡效應，為鐵電制冷在友好環境溫度的產生可供了可行性方案，使得鐵電固態制冷在實際應用中成為可能。隨著鐵電電卡效應熱點的不斷深入研究，大量文獻和實驗表明，在鐵電陶瓷、鐵電單晶、鐵電薄膜和鐵電納米復合材料中陸續發現了巨電卡效應。

隨著實驗成果的不斷積累，大量學者在凝聚態物理和微納米力學理論中為實驗成果提供理論依據。Qiu和Jiang模擬了鐵電材料在各種外加電場作用下相變溫度附近的大電卡效應。Bai等研究了相變與微結構之間的內在關聯，進而發現了鐵電陶瓷的電卡效應。Karthik和Martin參照GLD熱力學模型，分析研究了鐵電納米材料，并發現了鐵電薄膜也擁有上述效應，最終發現疇壁的運動極大的影響著疇結構的演變。Li等探討了疇壁中非均勻極化場的影響，最終發現正負電卡效應共存的狀態。Wang等基于相場理論在無溫變情況下，讓鐵電材料的疇結構從多疇的高能量狀態突破勢壘，釋放能量，最終達到單疇的低能量穩態，從而出現大電卡效應。最近，Wang等利用“應變工程”，將其運用到了納米尺度范疇，增強了納米管的鐵電巨電卡效應。

在電子器件中，電極用做導電介質(固體、氣體、真空或電解質溶液)中輸入或導出電流的兩個端，是電子器件重要的部件。因此，對電極的排布和設計成為微電子元件中必須考慮的因素。然而，目前還存在以下問題：

(1)對含電極鐵電材料的研究，大多學者主要關注其鐵電的斷裂行為，將電極看作為缺陷的存在。目前對于含電極的鐵電電卡效應的研究工作還少有人問津。

(2)多個電極的不同排布、多電極復雜外電場作用下鐵電的疇變，疇壁的移動和微結構的演化對鐵電電卡效應的影響都缺乏系統的研究。所以存在不能較準確反映物理實質的問題。

(3)目前對于有限元法求解含電極的鐵電多場耦合問題，現有的商業有限元軟件無法模擬鐵電微結構演化的過程，無法清晰、系統的描述整個物理圖像。

發明內容