[发明专利]一种含电极铁电材料产生大电卡效应的相场模拟方法

说明书

本发明公开了一种含电极铁电材料产生大电卡效应的相场模拟方法，包括如下步骤：基于相场理论，采用极化场作为第一序参量，结合力学平衡方程、电学平衡方程和Ginzburg‑Landau相场动力学方程，将电极完全共烧于模型中，电极周围的电畴相互作用，相互交换能量，达到平衡状态，以此建立多场耦合的新相场模型；通过FORTRAN编写含电极铁电单元程序，利用FEAP快速求解器实现了含电极铁电单晶电‑热耦合问题的求解；将FEAP有限元求解得到的场变量导入至Fortran编写的后处理程序中，运用TECPLOT和ORIGIN软件得到可视化场变量结果；通过调控电极的尺寸和排布，获得在室温与低电场条件下的巨电卡效应。

技术领域

本发明涉及一种相场模拟方法，特别涉及一种含电极铁电材料产生大电卡效应的相场模拟方法。

背景技术

铁电材料的电卡效应，是指因外电场的改变导致铁电极化场发生改变，从而产生的绝热温变或等温熵变。在绝热条件下，对铁电材料施加电场使极化场有序增加，导致温度上升，反之，移去电场导致温度下降，实现电卡制冷。图1为铁电电卡制冷的工作原理示意图。首先，在绝热条件下，对铁电材料施加电场使极化场有序增加，导致温度上升；然后与散热片接触，自身温度降低，保持电场不变；接着与散热片断开并移去电场，导致温度下降；最后与负载接触，将热量吸收到铁电材料中实现铁电电卡制冷。铁电制冷技术相对于传统的蒸发-压缩制冷而言，具有小型化、转化率高、环境友好等优点，是微型电子器件理想的制冷方案。

然而，铁电电卡效应在早期研究中，因其击穿电场低且材料选择范围单一，很难实现工程应用。直到Mischenko等在铁电薄膜的一次实验中，由铁电相至顺电相的相变过程发现了铁电材料的巨电卡效应，进而引发了研究固态制冷效应的热潮。其后Neese等获得了常温附近的巨电卡效应，为铁电制冷在友好环境温度的产生可供了可行性方案，使得铁电固态制冷在实际应用中成为可能。随着铁电电卡效应热点的不断深入研究，大量文献和实验表明，在铁电陶瓷、铁电单晶、铁电薄膜和铁电纳米复合材料中陆续发现了巨电卡效应。

随着实验成果的不断积累，大量学者在凝聚态物理和微纳米力学理论中为实验成果提供理论依据。Qiu和Jiang模拟了铁电材料在各种外加电场作用下相变温度附近的大电卡效应。Bai等研究了相变与微结构之间的内在关联，进而发现了铁电陶瓷的电卡效应。Karthik和Martin参照GLD热力学模型，分析研究了铁电纳米材料，并发现了铁电薄膜也拥有上述效应，最终发现畴壁的运动极大的影响着畴结构的演变。Li等探讨了畴壁中非均匀极化场的影响，最终发现正负电卡效应共存的状态。Wang等基于相场理论在无温变情况下，让铁电材料的畴结构从多畴的高能量状态突破势垒，释放能量，最终达到单畴的低能量稳态，从而出现大电卡效应。最近，Wang等利用“应变工程”，将其运用到了纳米尺度范畴，增强了纳米管的铁电巨电卡效应。

在电子器件中，电极用做导电介质(固体、气体、真空或电解质溶液)中输入或导出电流的两个端，是电子器件重要的部件。因此，对电极的排布和设计成为微电子元件中必须考虑的因素。然而，目前还存在以下问题：

(1)对含电极铁电材料的研究，大多学者主要关注其铁电的断裂行为，将电极看作为缺陷的存在。目前对于含电极的铁电电卡效应的研究工作还少有人问津。

(2)多个电极的不同排布、多电极复杂外电场作用下铁电的畴变，畴壁的移动和微结构的演化对铁电电卡效应的影响都缺乏系统的研究。所以存在不能较准确反映物理实质的问题。

(3)目前对于有限元法求解含电极的铁电多场耦合问题，现有的商业有限元软件无法模拟铁电微结构演化的过程，无法清晰、系统的描述整个物理图像。

发明内容