第一作者：Ankit Negi

通訊作者：Prof. Jun Liu

單位：North Carolina State University

文章鏈接：doi.org/10.1002/adma.202211286

在鐵電材料中，通過外加電場可以調(diào)控鐵電疇壁的數(shù)量，狀態(tài)，和分布，從而達(dá)到調(diào)控材料屬性的目的。在熱學(xué)應(yīng)用這個(gè)問題上，大量的前人研究已經(jīng)證實(shí)鐵電疇壁是具有很顯著的熱阻的，那么這些可以被外場控制的熱阻就可以用來調(diào)控鐵電材料的熱導(dǎo)率，達(dá)到熱管理的目的。之前的材料研究對(duì)象大多數(shù)集中在納米級(jí)別厚度的薄膜材料中或者在極低溫度下（液氦溫度左右），很少有研究會(huì)關(guān)注室溫下的塊體材料 （至少毫米級(jí)別厚），而這些塊體材料本身在傳感器，驅(qū)動(dòng)器，存儲(chǔ)器等實(shí)際應(yīng)用中廣泛使用。

近日美國北卡州立大學(xué)劉君教授課題組及其合作者選用了實(shí)際應(yīng)用中常見的PMN-PT單晶，利用交變電場控制鐵電疇壁實(shí)現(xiàn)了塊體單晶材料在室溫下較大的熱調(diào)制。此外，通過研究還發(fā)現(xiàn)，熱導(dǎo)率可以作為一個(gè)間接評(píng)估鐵電材料中鐵電疇壁數(shù)量和分布的參量， 并通過兩種偏振光顯微鏡技術(shù)驗(yàn)證了這一點(diǎn)。該項(xiàng)工作為以后更好的表征和控制鐵電疇壁提供了更多的可能性，也為實(shí)現(xiàn)固體材料中的熱調(diào)制提供了新的思路。此項(xiàng)工作發(fā)表在《先進(jìn)材料》(Advanced Materials) 期刊上, 該期刊是Wiley出版社的旗艦期刊，目前影響因子為32。

如圖1所示，論文工作使用的是塊狀單晶材料。

圖1. 論文中使用的PMN-PT鐵電晶體。

圖2. 可重復(fù)地調(diào)制鐵電晶體的熱導(dǎo)率和表面溫度。UP：沒有極化的狀態(tài)；DCP：通過恒定電場極化的狀態(tài)；ACP：通過交變電場極化的狀態(tài)。

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論文中，作者們通過控制恒定電場極化時(shí)的場強(qiáng)和時(shí)間，以及交變電場極化時(shí)的場強(qiáng)，時(shí)間，和頻率來改變鐵電疇壁的數(shù)量和分布，之后通過穩(wěn)態(tài)法和光熱輻射計(jì)量法測(cè)量晶體的各向異性熱導(dǎo)率。作者們通過熱導(dǎo)率和鐵電疇壁的已知關(guān)系來分析介電常數(shù)和鐵電疇壁的關(guān)系，另外通過兩種偏振光顯微鏡技術(shù)來分析鐵電疇的平均大小和分布，以及通過變化前后的相對(duì)雙折射率的變化來分析鐵電疇密度的變化，從而把調(diào)制條件（比如恒定電場和交變電場極化時(shí)的參數(shù)），調(diào)制后的性質(zhì)（介電常數(shù)，熱導(dǎo)率），和鐵電疇壁的統(tǒng)計(jì)結(jié)果（密度，分布）三者聯(lián)系起來。這一工作為今后更好的表征和調(diào)控鐵電材料的性質(zhì)做出了貢獻(xiàn)。

論文標(biāo)題：Ferroelectric domain wall engineering enabled thermal modulation in PMN-PT single crystals

論文摘要：Acting like thermal resistances, ferroelectric domain walls can be manipulated to realize dynamic modulation of thermal conductivity (k), which is essential for developing novel phononic circuits. Despite the interest, little attention has been paid to achieving room‐temperature thermal modulation in bulk materials due to challenges in obtaining a high thermal conductivity switch ratio (khigh/klow), particularly in commercially viable materials. Here, room‐temperature thermal modulation in 2.5 mm‐thick Pb(Mg?/?Nb?/?)O?‐xPbTiO??(PMN‐xPT) single crystals is demonstrated. With the use of advanced poling conditions, assisted by the systematic study on composition and orientation dependence of PMN‐xPT, a range of thermal conductivity switch ratios with a maximum of ≈1.27 is observed. Simultaneous measurements of piezoelectric coefficient (d??) to characterize the poling state, domain wall density using polarized light microscopy (PLM), and birefringence change using quantitative PLM reveal that compared to the unpoled state, the domain wall density at intermediate poling states (0< d??< d??,max) is lower due to the enlargement in domain size. At optimized poling conditions (d??,max), the domain sizes show increased inhomogeneity that leads to enhancement in the domain wall density. This work highlights the potential of commercially available PMN‐xPT single crystals among other relaxor‐ferroelectrics for achieving temperature control in solid‐state devices.

團(tuán)隊(duì)介紹

照片中是美國北卡州立大學(xué)團(tuán)隊(duì)成員。從左到右依次是：Yong Zhu, Xiaoning Jiang, Kara Peters, Anastasia Timofeeva, Ankit Negi (第一作者), Jun Liu （通訊作者）, Hwang Pill Kim, Xuanyi Zhang, and Divine Kumah。

論文合作者還有美國Idaho國家實(shí)驗(yàn)室的Zilong Hua博士。