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5月7日，英国剑桥大学、日本村田制作所等单位的研究人员在Nature发表题为《Electrocaloric effects across room temperature in multilayer capacitors》的研究论文，报道了一类新型铁电固溶体，首次使多层电容器能够在室温及以下产生大电卡效应，为低温区、低碳排、高效能新型热泵提供了潜在机遇。

随着人工智能、数据中心、电子芯片、建筑空调和冷链运输的快速发展，低碳排与高效能热管理已成为现代社会中日益重要的能源问题。传统压缩机制冷依赖气态制冷剂和机械压缩过程，不仅系统复杂，也面临温室气体排放和能效提升的挑战。发展高效、低碳、无气态制冷剂的新型固态制冷技术，已经成为材料科学、能源技术和器件工程交叉领域的重要方向。电卡制冷是一种有前景的固态制冷路线，通过铁电材料中极化状态在电场调控下有序度的可逆变化，诱导材料释放或吸收热量，有望应用于新型热泵。

电卡制冷走向实际应用面临的核心瓶颈之一是，许多材料虽然能够在特定温区产生较大的电卡效应，但要在大体积工质中实现跨越室温的有效制冷仍然困难。尤其是此前表现优异的Pb(Sc,Ta)O3多层电容器（简称PST），其大电卡效应依赖于高度B位有序结构，通常需要长达42天的退火处理而获得，但大效应只出现在近室温的居里温度以上（290 K），这限制了电卡材料在真实制冷场景中的进一步应用。

为解决这一问题，剑桥与村田团队采用了PST与Pb(Mg,W)O3之间的固溶策略。PMW的引入一方面扰乱PST中的偶极有序，从而降低铁电相变温度；另一方面，Sc3+/Mg2+与Ta5+/W6+之间显著的价态和尺寸差异，又有利于维持高B位阳离子有序结构。研究团队制备了85PST-15PMW和90PST-10PMW两种固溶成分的多层电容器。X射线衍射与原子分辨HAADF-STEM进一步确认了高价阳离子和低价阳离子在B位上的高度有序排列。

图1 PST-PMW多层电容器及其晶体结构。

图2 85PST-15PMW多层电容器在低温区的大电卡效应

为了进一步评估相关制冷器件的应用潜力，研究团队在熵-温坐标下构建了多层电容器的理想布雷顿再生循环，计算并比较了基于PST-PMW与PST多层电容器的制冷器件在不同温展下的泵热表现。在假设100%能量回收的条件下，PST-PMW多层电容器的循环效率可达到约70–90%，在相同温展下较PST有5-10%的提升。这一结果表明，PST-PMW多层电容器有望替代PST多层电容器，促进低温、低碳电卡原型热泵的研发。

图3 基于PST-PMW多层电容器的制冷循环及效率评估

该研究报道的PST-PMW多层电容器有望进一步推动电卡制冷从材料研究走向原型器件和应用探索。对于需要跨越室温工作的制冷系统，例如食品冷链、医疗保存和建筑热泵等场景，这类固态制冷工作体具有重要潜力。

作者简介

论文第一作者为郭梦帆（剑桥大学材料系、丘吉尔学院Goldsmiths’青年研究员），通讯作者为郭梦帆、Xavier Moya（剑桥大学材料系教授）、Sakyo Hirose（村田制造所研究员）与Neil Mathur（剑桥大学材料系教授）。

论文链接

https://www.nature.com/articles/s41586-026-10492-w

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