Nature：突破室温瓶颈—新型电卡多层电容器

越来越多的制冷器件开始利用PbSc₀.₅Ta₀.₅O₃(PST)多层电容器中由超临界驱动一阶铁电相变所产生的巨大电卡效应。

然而，这类 PST 多层电容器通常只能在高于室温居里温度的条件下工作，并且需要长达42天的高温退火才能获得较高的 B 位有序度，从而最大化相变潜热。这不仅限制了其工作温区，也显著增加了制备过程的能耗和成本。

在此，来自英国剑桥大学的M. Guo、N. D. Mathur以及X. Moya、日本京都村田制作所的S. Hirose等研究者发现，通过引入 PbMg₀.₅W₀.₅O₃(PMW)对 PST 进行稀释，可以显著放大价态失配效应。相关论文以题为“Electrocaloric effects across room temperature in multilayer capacitors”于2026年05月06日发表在Nature上。

越来越多的制冷器件开始利用 PbSc₀.₅Ta₀.₅O₃（PST）多层电容器 中由超临界驱动一阶铁电相变所产生的巨大电卡效应。

然而，这类 PST 多层电容器通常只能在高于室温居里温度的条件下工作，并且需要长达42天的高温退火才能获得较高的 B 位有序度，从而最大化相变潜热。

这不仅限制了其工作温区，也显著增加了制备过程的能耗和成本。

在本文中，研究者发现，通过引入 PbMg₀.₅W₀.₅O₃（PMW） 对 PST 进行稀释，可以显著放大价态失配效应。

该策略在无需退火的情况下，仍能够维持较高的 B 位有序度和较大的相变潜热；与此同时，它还能破坏偶极有序结构，使居里温度降低至 230 K。

这一结果表明，PST–PMW 体系能够在保持强电卡响应的同时，将工作温区拓展至室温及室温以下。

进一步地，研究制备的 PST–PMW 多层电容器 在 17.1 V μm⁻¹ 的电场下表现出约 3 K 的超临界电卡温变，并且该器件可承受超过 10⁷ 次 电场循环而不发生击穿，显示出优异的电学可靠性。

更重要的是，当这些多层电容器应用于理想流体再生器，并假设系统能够实现功回收时，其制冷循环效率可达到 70–90%。

总体来看，本研究表明，PST–PMW 多层电容器相比传统 PST 多层电容器具有更宽的工作温区、更低的制备能耗以及更高的器件可靠性，因此有望在电卡制冷原型器件中取代 PST 多层电容器，推动电卡制冷技术向实际制冷应用迈进。

图1 多层电容器及 PST–PMW 材料的结构表征。

图2 85PST–15PMW 的间接电卡效应测量。

图3 85PST–15PMW 电卡热效应与温度变化的直接测量。

图4 室温以上及室温以下的有效电卡温变。

图5 再生制冷循环效率分析。

总而言之，研究者开发了一类新型多层电容器)MLCs)，其中通过以 PbMg₀.₅W₀.₅O₃(PMW) 部分取代 PbSc₀.₅Ta₀.₅O₃(PST)，使材料能够通过低温烧结实现致密化。

这一策略不仅保留了高价与低价 B 位阳离子之间的有序排列，还避免了传统 PST 多层电容器所需的长时间、高成本退火处理。

B 位有序结构的保留有助于限制相变潜热的降低；与此同时，PMW 对偶极有序的扰动又能够降低居里温度，使材料在更宽温区内、特别是在较低温度下，仍可通过超临界电场驱动产生显著电卡效应。

PMW 稀释后的 PST 之所以能够保持良好的 B 位有序性，主要源于高价与低价阳离子之间价态失配的进一步增强。

在 B 位有序 PST 中，Sc³⁺（0.75 Å）与 Ta⁵⁺（0.64 Å）之间已经存在明显的价态和尺寸差异；而在引入 PMW 后，替代阳离子 Mg²⁺（0.66 Å）与 W⁶⁺（0.60 Å）进一步放大了价态失配，同时部分保留了尺寸失配效应。

为了理解为何无需退火也能获得良好的 B 位有序结构，可以先比较 PST 和 PMW 多层电容器的制备特点。传统 PST 多层电容器需要在 1400 °C 高温下烧结以实现致密化和较高击穿场强，但这一过程会破坏原有 B 位有序结构，因此必须经过长达 42 天 的退火来恢复有序性。

相比之下，纯 PMW 多层电容器仅需在 950 °C 低温烧结即可实现良好致密化，并且原有 B 位有序结构能够被保留下来。

对于本研究中的 PST–PMW 多层电容器，1250 °C 的中温烧结既足以实现致密化，又不会明显破坏高价与低价阳离子之间的 B 位有序结构，因此无需额外退火。

本研究获得的有效电卡温变 |ΔTeff| 和循环效率，是在与现有 PST 电卡制冷原型器件相同的 600 V 驱动电压下测得的，且该电压能够以可重复方式驱动电卡效应。

实验中，该电压在 322 个双极循环 中共施加 644 次；在疲劳测试中，电场驱动次数超过 1.5 × 10⁷ 次，仍未观察到电卡性能衰减，表明该材料体系具有优异的循环稳定性和抗疲劳能力。

该研究表明，PST–PMW 多层电容器有望在电卡制冷原型器件中取代传统 PST 多层电容器，因为实现从环境温度以上到环境温度以下的制冷具有广泛应用价值。

值得注意的是，在 600 V 下获得的电卡效应尚未达到饱和，因此若通过工艺优化进一步提高击穿电压，则有望获得更大的电卡响应。

与 PST 相比，这种提升在 PST–PMW 中可能更加显著，因为 PST–PMW 的非滞回单相电卡效应相对于一阶相变相关电卡效应的提升幅度更大，可达到 120–160%，而 PST 中仅约为 23%。

更广泛地看，本研究提出的材料开发思路，即基于价态–尺寸失配调控烧结行为，以及构建铁电–反铁电固溶体，有望为其他陶瓷材料的性能优化提供启发，不仅适用于电卡制冷，也可能拓展至更广泛的功能陶瓷应用领域。

参考文献

Guo, M., Farenkov, V., Chen, X. et al. Electrocaloric effects across room temperature in multilayer capacitors. Nature (2026). https://doi.org/10.1038/s41586-026-10492-w

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

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