隨著人民生活水平的提高，制冷需求量急劇上漲，導(dǎo)致用于制冷的能耗大幅增加。傳統(tǒng)氣體壓縮制冷技術(shù)使用的工質(zhì)破壞大氣臭氧層，加劇全球變暖。全球氣候巴黎公約頒布以來，尋找一種替代傳統(tǒng)氣體壓縮制冷的技術(shù)成為人們的迫切需求。基于磁熱效應(yīng)的固態(tài)制冷技術(shù)具有節(jié)能環(huán)保的特點，有望成為傳統(tǒng)氣體壓縮制冷的替代技術(shù)。其中，具有一級相變性質(zhì)的巨磁熱材料是最具應(yīng)用潛力的磁制冷工質(zhì)材料，然而一級相變材料固有的滯后損耗嚴(yán)重影響制冷效率。同時，隨著微納電子器件日趨集成化和精密化，微納尺度的制冷需求日益增多。制冷材料的薄膜化成為固態(tài)制冷研究的一個重要方向。

　　具有近等原子比的FeRh合金呈現(xiàn)磁有序和晶格序的耦合。室溫附近，伴隨反鐵磁(AFM)-鐵磁(FM)的磁相變出現(xiàn)1%的體積膨脹。這一特性使FeRh對溫度、磁場和應(yīng)變等多種外場敏感。因此，除了巨磁熱效應(yīng)，F(xiàn)eRh合金還被發(fā)現(xiàn)具有巨彈熱和壓熱效應(yīng)。雖然早在1990年FeRh合金被發(fā)現(xiàn)具有巨磁熱效應(yīng)，但是由于大的滯后損耗和不可逆性（磁滯損耗會導(dǎo)致制冷循環(huán)中的漏熱），F(xiàn)eRh很少被用于磁制冷應(yīng)用。

　　中國科學(xué)院物理研究所/北京凝聚態(tài)物理國家研究中心磁學(xué)國家重點實驗室研究員胡鳳霞、副研究員王晶、中科院院士沈保根以及博士研究生喬凱明等人在對巨磁熱效應(yīng)材料長期研究積累的基礎(chǔ)上成功地在鐵電基片PMN-PT上生長出具有與塊材性質(zhì)相當(dāng)?shù)腇eRh合金薄膜，為磁制冷器件的微型化提供了基礎(chǔ)。利用鐵電基片PMN-PT在脈沖電場誘導(dǎo)下發(fā)生R-O相變的特性，在FeRh薄膜中產(chǎn)生非易失性應(yīng)變。通過將此應(yīng)變引入磁制冷循環(huán)，在整個制冷溫區(qū)大幅降低了FeRh合金薄膜的磁滯損耗。并且，利用彈性應(yīng)變產(chǎn)生的機械功補償磁滯損耗的同時，也避免了在磁化和退磁過程中引入恒定電場，從而有效解決了磁制冷樣機設(shè)計中遇到的雙場循環(huán)的瓶頸問題。定量分析表明，當(dāng)引入的非易失性應(yīng)變足夠大時，薄膜有效制冷能力（RCeffe）可以通過利用外部機械功得到大幅提升。在僅考慮磁滯損耗和機械功貢獻(xiàn)的情況下，理想循環(huán)的制冷系數(shù)可達(dá)到一個新高度。這一工作創(chuàng)新性地提出了制冷循環(huán)與應(yīng)變記憶效應(yīng)相結(jié)合的新方法，不但有助于拓寬FeRh作為制冷劑的應(yīng)用前景，為降低類似一級相變材料的磁滯損耗提供了新思路，而且為利用機械功提高固態(tài)工質(zhì)制冷能力開辟了一條新途徑。

　　此外，在對FeRh薄膜材料制冷性能研究過程中，通過有限元模擬和實驗相結(jié)合研究了具有高熱導(dǎo)的Cu、Ag、Au、Pt、石墨烯等物質(zhì)分別作為固態(tài)換熱介質(zhì)時異質(zhì)結(jié)構(gòu)體系里基片的漏熱行為。理論模擬和實驗結(jié)果均表明，當(dāng)選擇Cu為固態(tài)換熱介質(zhì)時，基片的漏熱可忽略不計。這一結(jié)果表明通過選擇合適的換熱介質(zhì)可以有效解決基片的漏熱問題，消除了長期以來存在的對以薄膜為制冷工質(zhì)的疑慮，為制冷材料的薄膜化研究提供了實驗和理論支撐。

　　這一工作發(fā)表在Nano Energy上(Nano Energy 59 (2019) 285–294)。該工作得到科技部、國家自然科學(xué)基金委和中科院重點項目的支持。

　　文章鏈接

    圖1 (a) 引入應(yīng)變記憶效應(yīng)的雙場激勵磁制冷循環(huán)示意圖，(b) 不加電場（黑色）和脈沖電場（粉色）下FeRh薄膜磁化強度隨磁場的變化，以及相應(yīng)的 (c) FeRh薄膜磁化強度隨電場的變化和 (d) FeRh薄膜磁化強度隨溫度的變化。

    圖2 引入應(yīng)變記憶效應(yīng)的實驗測量。(a) FeRh / PMN-PT異質(zhì)結(jié)測量模型示意圖，其中H和E分別表示施加的磁場和電場。(b) 在5T和310K下FeRh薄膜磁化強度隨電場的變化曲線。A-B, 施加-6kV/cm電場由基片引入的壓應(yīng)變使部分FM相轉(zhuǎn)化為AFM相，磁化強度下降；B-C, 移去-6kV/cm電場，應(yīng)變記憶效應(yīng)使磁化強度近似保持不變 ；C-D, 施加+6kV/cm電場釋放應(yīng)變使部分AFM相回到FM相，磁化強度上升；D-A, 移去+6kV/cm電場，應(yīng)變記憶效應(yīng)使磁化強度近似保持不變，(c) 零電場下前兩圈磁場循環(huán)FeRh薄膜磁化強度隨磁場的變化曲線，以及 (d) 在5T和0T恒定磁場下施加脈沖電場FeRh薄膜磁化強度隨磁場的變化曲線。假設(shè)脈沖電場產(chǎn)生的應(yīng)變更大，路徑6將沿路徑6’或路徑6”。可以看出，由路徑5-6、5-6’、5-6”圍成的面積遠(yuǎn)小于圖(c)中3-4圍成的面積甚至變成負(fù)的（路徑5、6、6’、6”僅有磁場沒有電場），表示應(yīng)變記憶效應(yīng)導(dǎo)致的滯后損耗的非易失性大幅下降，其來源于應(yīng)變產(chǎn)生的機械功的補償作用。下部分的圖對應(yīng)于上述過程中磁場和電場隨時間的變化曲線。

    圖3 (a) 室溫原位施加電場下不同電場的XRD圖譜，(b) 面外[011]方向晶格參數(shù)a011隨電場的變化，此結(jié)果和圖二(b)一致，表明電場產(chǎn)生的應(yīng)變記憶效應(yīng)。脈沖電場施加后 (c) +0和 (d) -0態(tài)下PMN-PT基片（-222）倒易空間圖。(e) 多疇R相(R(m))和單疇O相(O(s))的假想吉布斯自由能曲線。

    圖4 (a) 不加電場與脈沖電場下磁化曲線示意圖，陰影部分表示磁滯損耗的非易失性減小量；(b) 在施加脈沖電場的制冷循環(huán)中，F(xiàn)eRh薄膜應(yīng)力隨面內(nèi)應(yīng)變變化示意圖，陰影部分表示機械功。