Электрокалорический эффект в многослойных сегнетоэлектрических структурах

Введение. Сегнетоэлектрические пленки находят широкое применение в микроэлектронике, технике СВЧ,  сенсорике и в устройствах преобразования энергии на основе электрокалорического и пироэлектрического эффектов. В зависимости от области применения к сегнетоэлектрическим структурам могут предъявляться различные требования, такие, как высокие значения диэлектрической проницаемости и добротности, температурная стабильность, или же, наоборот, используется температурная нестабильность пироэлектрического коэффициента для построения высокочувствительных элементов микросенсорики. Одним из способов получения сегнетоэлектрических сред, обладающих требуемыми свойствами в заданном температурном диапазоне, является создание слоистых пленочных структур, состоящих из нескольких различных сегнетоэлектрических материалов.
Цель работы. Разработка математической модели, позволяющей рассчитывать такие электрофизические свойства многослойных пленочных сегнетоэлектрических структур, как низкочастотная диэлектрическая проницаемость, электрическая поляризация и электрокалорический эффект, при учете соотношения толщин и порядка чередования слоев, а также механических напряжений, возникающих на границах между элементами многослойной структуры.
Материалы и методы. На основе феноменологической теории сегнетоэлектричества Ландау–Гинзбурга–Девоншира разработана математическая модель, позволяющая усреднять электро- и теплофизические свойства слоев с учетом механических напряжений на границах слоев, что обеспечивает реалистичное количественное описание многослойных пленочных сегнетоэлектрических структур.
Результаты. Представлено описание температурного и полевого поведения низкочастотной диэлектрической проницаемости, поляризации и электрокалорического эффекта для структуры, состоящей из чередующихся поликристаллических слоев двух сегнетоэлектрических материалов, при толщинах отдельных слоев более 100 нм с учетом нормального распределения размеров зерен в отдельных слоях.
Заключение. Показано влияние соотношения толщин слоев, среднего размера зерна и порядка чередования слоев на электрофизические и теплофизические свойства многослойных сегнетоэлектрических структур. Разработанная модель может быть использована для подбора оптимальных параметров многослойных структур в соответствии с их назначением.

1. Сигов А. С., Мишина Е. Д., Мухортов В. М. Тонкие сегнетоэлектрические пленки: получение и перспективы интеграции // Физика твердого тела. 2010. Т. 52, № 4. С. 709–717.

2. New approaches to electrocaloric-based multilayer cooling / S. Karmanenko, A. Semenov, A. Dedyk, A. V. Es'kov // Electrocaloric Materials. Berlin: Heidelberg, Springer, 2014. P. 183–223. doi: 10.1007/978-3-642-40264-7_8

3. Valant M. Electrocaloric materials for future solid-state refrigeration technologies // Progress in Materials Science. 2012. Vol. 57, № 6. P. 980–1009. doi:10.1016/j.pmatsci.2012.02.001

4. Ferroelectric polymer nanocomposites with complementary nanostructured fillers for electrocaloric cooling with high power density and great efficiency / G. Zhang, B. Fan, P. Zhao, Zh. Hu, Y. Liu, F. Liu, Sh. Jiang, S. Zhang, H. Li, Q. Wang // ACS Applied Energy Materials. 2018. Vol. 1, № 3. P. 1344–1354. doi: 10.1021/acsaem.8b00052

5. High-entropy polymer produces a giant electrocaloric effect at low fields / X. Qian, D. Han, L. Zheng, J. Chen, M. Tyagi, Q. Li, F. Du, Sh. Zheng, X. Huang, Sh. Zhang et al. // Nature. 2021. Vol. 600, № 7890. P. 664–669. doi: 10.1038/s41586-021-04189-5

6. Entropy-change measurement of electrocaloric effect of BaTiO3 single crystal / Y. Bai, K. Ding, G.-P. Zheng, S.-Q. Shi, L. Qiao // Physica status solidi (a). 2012. Vol. 209, № 5. P. 941–944. doi: 10.1002/pssa.201127695

7. Pertsev N. A., Zembilgotov A. G., Tagantsev A. K. Effect of mechanical boundary conditions on phase diagrams of epitaxial ferroelectric thin films // Physical Review Let. 1998. Vol. 80, № 9. P. 1988. doi: 10.1103/PhysRevLett.80.1988

8. Novak N., Pirc R., Kutnjak Z. Diffuse critical point in PLZT ceramics // Europhysics Let. 2013. Vol. 102, № 1. P. 17003. doi: 10.1209/0295-5075/102/17003

9. Lines M. E., Glass A. M. Principles and applications of ferroelectrics and related materials. Oxford: Oxford university press, 2001. 736 p. doi: 10.1093/acprof:oso/9780198507789.001.0001

10. Tagantsev A. K. Landau expansion for ferroelectrics: Which variable to use? // Ferroelectrics. 2008. Vol. 375, № 1. P. 19–27. doi: 10.1080/00150190802437746

11. Феноменологическое описание фазовых переходов в тонких пленках BaTiO3 / В. Б. Широков, Ю. И. Юзюк, Б. Дхил, В. В. Леманов // Физика твердого тела. 2008. Т. 50, № 5. С. 889–892.

12. Chen L. Q. Phase-field method of phase transitions/domain structures in ferroelectric thin films: a review // J. of the American Ceramic Society. 2008. Vol. 91, № 6. P. 1835–1844. doi: 10.1111/j.1551-2916.2008.02413.x

13. Clarification of size effects in polycrystalline BaTiO3 thin films by means of the specific heat measurements: grain size or film thickness? / B. A. Strukov, S. T. Davitadze, S. G. Shulman, B. V. Goltzman, V. V. Lemanov // Ferroelectrics. 2004. Vol. 301, № 1. P. 157–162. doi: 10.1080/00150190490455674

14. Limpert E., Stahel W. A., Abbt M. Log-normal distributions across the sciences: keys and clues: on the charms of statistics, and how mechanical models resembling gambling machines offer a link to a handy way to characterize log-normal distributions, which can provide deeper insight into variability and probabilitynormal or log-normal: that is the question // BioScience. 2001. Vol. 51, № 5. P. 341–352. doi: 10.1641/0006-3568(2001)051[0341:LNDATS]2.0.CO;2

15. Chen L. Q. APPENDIX A–Landau free-energy coefficients // Physics of Ferroelectrics. 2007. Vol. 105. P. 363–372. doi: 10.1007/978-3-540-34591-6_9

16. He Y. Heat capacity, thermal conductivity, and thermal expansion of barium titanate-based ceramics // Thermochimica acta. 2004. Vol. 419, № 1–2. P. 135–141. doi: 10.1016/j.tca.2004.02.008

17. Lobo R., Mohallem N. D. S., Moreira R. L. Grain-Size Effects on Diffuse Phase Transitions of Sol-Gel Prepared Barium Titanate Ceramics // J. of the American Ceramic Society. 1995. Vol. 78, № 5. P. 1343–346. doi: 10.1111/j.1151-2916.1995.tb08492.x

18. Влияние температуры обжига на размер зерен и электрокалорический эффект керамики титаната бария / И. А. Старков, А. С. Анохин, И. Л. Мыльников, М. А. Мишнев, А. С. Старков // Физика твердого тела. 2022. Т. 64, № 4. С. 443–454. doi: 10.21883/FTT.2022.04.52184.208

19. Arlt G., Hennings D., De With G. Dielectric properties of fine-grained barium titanate ceramics // J. of applied physics. 1985. Vol. 58, № 4. P. 1619–1625. doi: 10.1063/1.336051