Effect of Pr³⁺ doping on the energy storage and electrocaloric performances of [(Bi 0.5 Na 0.5 ) 0.94 Ba 0.06 ] 0.975 Sr 0.025 TiO 3 antiferroelectric ceramic
本研究表明，通过在反铁电陶瓷 [(Bi₀.₅Na₀.₅)₀.₉₄Ba₀.₀₆]₀.₉₇₅Sr₀.₀₂₅TiO₃ 中掺杂 1% 的 Pr³⁺，可以在不改变其结构相界的情况下，显著增强其在室温附近的能量存储密度和电热效应制冷性能，使其成为具有潜力的用于多功能电子应用的无铅候选材料。
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现代电子产品正在不断缩小，但它们产生的热量必须被移除以保持正常运转。虽然传统的冷却依赖于风扇和液体冷却剂，但一种更安静、更紧凑的解决方案存在于某些固体材料的行为之中，这些材料在施加或移除电场时会改变温度。这种被称为电致热效应（electrocaloric effect）的现象，为可以取代笨重机械系统的固态冷却提供了一条路径。除了冷却功能外，这些相同的材料还可以储存电能，充当能够快速充放电的微型高效电池。科学家面临的挑战是寻找不仅在这些任务中表现出色，而且不含毒性铅的材料，铅是旧款高性能陶瓷中的常见成分，会带来环境风险。
在最近的一项研究中，来自突尼斯的斯法克斯大学（University of Sfax）的研究人员探索了一种特定的无铅陶瓷，旨在研究对其化学成分进行微小调整是否能同时改善其冷却能力和能量存储容量。他们开始使用的材料是一种由铋、钠、钡、锶和钛组成的复杂混合物。它属于反铁电体（antiferroelectrics）一类材料，其中内部电荷排列成相互抵消的相反对，从而创造出一种稳定的状态。当施加强电场时，这些相反的电对可以被强制对齐，这种切换过程会释放或吸收热量并储存能量。该团队希望了解在混合物中添加少量的镨（一种稀土元素）是否会使材料更具响应性和效率。
研究人员制备了两个版本的陶瓷：一个采用标准配方，另一个则是将仅 1% 的铋原子替换为镨。他们将材料在炉中烧制成固体圆盘，并进行了严格的测试。通过 X 射线衍射，他们证实了晶体结构保持稳定且纯净，镨能够整齐地嵌入晶格中，而不会破坏定义材料特性的微妙平衡。这是一个至关重要的发现，因为它表明添加新元素并没有破坏材料的基础架构。
当团队测量该材料在室温下对电场的响应时，结果非常明确。掺杂后的样品在几乎所有指标上都表现得更为优异。在能量存储方面，掺杂材料可以储存和释放更多能量，且损耗更少。具体而言，在 310 开尔文温度下，未掺杂样品每立方厘米存储约 229 毫焦耳的能量，效率为 72%。然而，掺杂版本将该存储量提高到了约 276 毫焦耳/立方厘米，并将效率提升至 77%。这种改进表明，镨使得内部电荷更容易切换状态，从而允许材料在充电过程中捕获更多能量，并在放电过程中释放更多能量。
同样的掺杂也增强了材料的冷却能力。当施加并随后移除电场时，与未掺杂版本相比，掺杂陶瓷经历了略大的温度变化。在 310 开尔文及 40 千伏/厘米的电场下，纯样品的温度变化从 0.087 开尔文上升到掺杂样品的 0.095 开尔文。虽然这些数字看起来很小，但对于固态冷却应用而言，这代表了性能上的显著提升，特别是在材料用于接近室温的应用时。研究人员指出，这种改进与其材料在施加电场时在不同内部状态之间进行更平滑转换的能力有关。
研究还观察了这些特性随温度升高而变化的情况。当两种材料接近其内部结构变得不再有序的特定阈值（即去极化温度）时，它们的表现都变得更好。对于掺杂材料，这一阈值较低，出现在 366 开尔文，而未掺杂版本为 396 开尔文。这种偏移使得掺杂陶瓷能够在比日常电子设备更实用的温度下，保持高效率和高能量存储容量。在这些较高温度下，掺杂样品实现了超过 313 毫焦耳/立方厘米的能量存储密度，效率达到 94%，优于科学文献中报道的许多其他无铅陶瓷。
研究人员得出结论，镨的添加并未改变材料的基本相界，而是精细调节了其行为，使其更具响应性。通过创造一个略微更加无序的内部结构，镨使得电偶极子更容易切换，进而提高了能量存储和冷却能力。这些发现表明，这种掺杂了微量镨的特定无铅陶瓷，是下一代微电子冷却和高容量储能系统的有力竞争者，为开发既强大又环保的设备提供了路径。
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