科學家成功調控反鐵電材料的熱導率，響應時間小于150納秒，有望用于新能源汽車和消費電子
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（來源：Science）研究中，課題組論證了反鐵電熱開關器件的大開關比、快速響應和循環穩定等特點，借此為反鐵電熱開關器件的設計和性能挖掘，提供了理論支撐和實驗支撐。
在應用前景上，考慮到消費電子和新能源汽車等行業的快速發展，因此會有更多的微電子器件和能源電子器件需要實現穩定的散熱和調溫。這時，反鐵電熱開關器件就可以極大地發揮作用。
而在不同應用場景之下，也會給反鐵電熱開關器件提出新的要求，這就需要進一步地優化性能。此外，對于反鐵電熱開關器件的集成問題來說，也需要根據不同系統進行調試。
無處不在的熱流管理對于反鐵電熱開關器件來說，它的主要使命就是為了實現熱流管理。熱流管理遍布于人類生活的方方面面，從日常生活中消費電子、電池電路的散熱問題，到新能源系統、航空航天等領域的極端環境穩定問題，都離不開對于熱流傳導的控制。
熱流傳導和電流傳導具有一定的類比性：熱流傳導通過聲子振動來傳遞熱能，電流傳導則是通過電子輸運來傳遞電能。
目前，電子輸運已經得到充分的應用，比如通過電開關可以導通和斷開電流，這也被認為是第二次工業革命中電氣化應用的重要基礎。
20 世紀以來，諸如晶體管的發明、以及巨磁阻效應等現象的發現，讓人們得以在外場的幫助之下，來對材料電導率實現快速有效的切換，這在現代微電子器件尤其是磁存儲領域獲得了廣泛應用。
相比之下，人們對于熱流的傳導和調控，卻遠遠落后于現代科技生活的應用需求。
熱流的高效管理，可以極大地改變人類生活。無論是對于器件散熱、溫度維持、再到熱能利用，乃至于提高器件性能、提高能源轉換效率和利用率等，熱流管理都具有重要的意義。
此前，學界已經報道過一些熱管理材料，但是它們依舊存在不同的局限性。
比如，在相變轉變溫度上，二氧化釩擁有極大的熱導率轉變，但是這種現象只發生在固定的溫度點，無法在較大溫度范圍之內使用。
再比如，盡管通過化學方法可以驅動離子嵌入材料和析出材料，從而實現熱導率的轉換，但是存在時間緩慢、溶液環境具有腐蝕性等缺點。
鐵電材料，是一種居里溫度以下具有自發極化的材料。這種材料上的鐵電疇壁，可被視為是一種理想的聲子散射界面。
在外加電場之下，鐵電疇壁具備快速翻轉、循環穩定性較高等優勢。在外加電場的幫助之下，可以讓鐵電疇壁的密度發生可逆的變換，從而帶來高效的熱開關功能。
針對鐵電材料的熱開關功能，盡管此前已經出現不少成果。然而，它們普遍存在熱導率開關比不高的劣勢，通常只能達到 1.1-1.2 的量級，距離理想的開關性能仍有一定差距。
有研究表明，這種理想與現實的落差，是因為鐵電疇尺寸與聲子自由程尺寸不匹配，由于鐵電疇過大而導致有效聲子散射減弱。在這種情況之下，鐵電疇壁也就無法針對傳熱聲子實現有效的散熱控制。
（來源：Science）
實現納秒級別響應的熱開關性能面對上述問題陳祖煌等人認為：反鐵電材料具有原子尺度的反平行偶極子，這意味著它具有極大的疇壁密度、以及極小的疇尺寸，故能對傳熱聲子進行有效的散射。
在電場作用之下，反鐵電材料能夠完成反平行偶極子的翻轉，從而讓疇壁散射作用的消失，進而有望實現熱導率的大范圍切換。
基于這樣一個想法，他們在反鐵電鋯酸鉛薄膜中，實現了納秒級別響應的熱開關性能。
通過此，他們提出這樣一個理論：對于材料熱導率來說，材料原胞原子數會產生重要影響。
在電場的誘導作用之下，反鐵電材料會發生可逆的反鐵電-鐵電相變，從而能夠實現原胞原子數的大范圍調控。
由此可見，反鐵電材料是實現熱開關功能的重要材料，在高效熱管理領域具有重要的應用前景。
如果詳細來看，本次研究則主要分為如下三個階段：理論計算、材料制備、性能測試。
在第一個階段里，該團隊通過模擬鋯酸鉛反鐵電-鐵電相變，完成了熱開關比的理論計算。
考慮到在宏觀體系中，第一性原理軟件 VASP 無法對其施加電場，因此他們修改了 VASP 源代碼，借此實現了電場的施加。
基于修改之后的代碼，他們成功模擬了鋯酸鉛反鐵電-鐵電相變，并發現相變過程中的極化響應與實驗結果保持一致，從而驗證了代碼的正確性。
基于此，他們又利用第一性原理，計算了相變前后的導熱系數變化，并觀察到遠遠高于此前結果的熱開關比。
在第二個階段里，他們成功制備了反鐵電單晶薄膜。
陳祖煌表示：“從發現反鐵電材料至今，學界對其研究已有七十年之久。然而，對于它的相關機理和相關應用，人們依然了解得十分有限。”
主要原因在于很難制備高質量的反鐵電材料樣品，自然也就無法獲得理想的反鐵電-鐵電相變性能。
而這一主要原因又可以細分為兩個小原因：
其一，樣品缺陷等因素會形成較低的擊穿電場，以至于無法獲得完全的反鐵電-鐵電相變。
其二，反鐵電-鐵電相會在薄膜中發生“競爭”，因此在基態反鐵電之中，經常出現鐵電相共存的現象，這會削弱相變前后由于結構差異所導致的熱開關性能。
在研究已有反鐵電-鐵電相變熱開關的時候，經過一年半的摸索之后，該團隊利用脈沖激光誘導沉積的方式，終于制備出了高質量的單晶反鐵電薄膜。
通過優化薄膜的生長條件，他們消除了雜質和缺陷等外界因素對于開關比的影響。
同時，為了獲得理想的反鐵電-鐵電相變特征，以便進一步地提高開關比，在制備薄膜的時候，他們通過優化薄膜厚度的方式，不僅成功壓制了基態鐵電相的成分，還降低了基態反鐵電熱導率 kOFF。
并通過選擇合適取向施加電場，獲得了更高的鐵電態熱導率 kON，進而實現了更大的開關比。
在第三個階段里，他們在外加電場的作用之下，針對薄膜導熱系數實現了原位的高精度測量。
由于所制備的高質量反鐵電單品薄膜擁有較大的擊穿電場，這讓他們能在施加直流偏壓的情況下，對反鐵電和鐵電相的熱導率進行測量。
而通過更加合理的外部電路設計，課題組利用時域瞬態熱反射測量系統實現了如下功能：即在施加電場的同時，也能實現導熱系數的非接觸測量，從而能讓測量結果得到更好的保障。
同時，通過這種測量方法，他們還能原位地觀察電場調控導熱系數。
（來源：Science）
攻克兩大難題：獲得理想的反鐵電性能，實現薄膜電場的施加為了獲得理想的反鐵電性能，課題組頗為耗心耗力。此前，在研究包含鋯酸鉛在內的反鐵電薄膜之時，人們發現始終有鐵電相或亞鐵電相的出現。甚至有人提出鋯酸鉛并不是反鐵電材料，而是一種亞鐵電材料。
而在本次研究的前期實驗中，他們的實驗結果也證實了這一點。即在鋯酸鉛薄膜之中，存在著嚴重的鐵電相競爭，導致反鐵電性能會被嚴重削弱。
而為了獲得理想的反鐵電特征，他們對鋯酸鉛材料進行了詳細的分析，最終獲得了較大的飽和極化、以及極小剩余極化的理想反鐵電特征，為熱開關性能的挖掘奠定了基礎。
而為了施加薄膜電場，課題組也克服了種種難題。
其發現反鐵電薄膜的大型擊穿電場的確具有較高的質量，但是為了確保施加電場的同時，可以原位地測量導熱系數的響應，研究團隊嘗試了包括四探針法、銀膠法、球形焊接法、楔形焊接法在內的多種方法。
經過多次測試之后，在對電極大小和電極厚度進行合理設計之后，以及在楔形焊接法的輔助之下，他們終于克服了這一難題。
最終，相關論文以《反鐵電鋯酸鉛 薄膜中的低壓驅動高性能熱開關》（Low voltage–driven high-performance thermal switching in antiferroelectric PbZrO3 thin films）為題發在 Science[1]。
圖 | 相關論文（來源：Science）劉晨晗和司洋洋是第一作者，哈爾濱工業大學陳祖煌教授、東南大學陳云飛教授擔任共同通訊作者。
圖 | 研究人員合影（來源：資料圖）陳祖煌表示：“其中一位審稿人表示本次成果在功能性熱學器件中具有重要意義，說明我們這項立足于反鐵電熱開關原型器件的工作受到了認可，這不僅讓我們深受感動，也為我們繼續探索熱管理材料與器件帶來了鼓舞。”
在反鐵電材料的功能探索上，本次工作僅僅是“冰山一角”。對于反鐵電材料獨特的相變機制來說，其在熱管理領域的潛力，還有待進一步的挖掘。
對于反鐵電的結構相變來說，它可以帶來一定的開關比特性，而這恰好能和疇結構調控相結合。
因此，當對元素摻雜進行合理設計之后，再采取缺陷工程、以及超晶格等手段，不僅可以降低反鐵電態的熱導率，還能提高鐵電態的熱導率，從而增大熱導率的開關比，最終提升熱開關器件的性能。
此外，針對其他反鐵電材料，他們也打算開展熱開關性能的測試。同時，為了滿足產業界對于無鉛化的需求，課題組還將針對無鉛反鐵電材料進行性能表征，以便促進本次成果的落地。
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