Статья подготовлена по материалам периодической литературы и собственным исследованиям, обобщенных при работе над докладом и рефератом по курсу «История и методология электроники». Эта дисциплина входят в программу обучения 1 года магистратуры и реферат является одним из этапов написания пояснительной записки к магистерской диссертации по теме, связанной с получением и исследованием электрокалорического эффекта. При работе над рефератом обязательным требованием является междисциплинарный характер. При написании были использованы пособия, изданные в том числе в СПбГЭТУ “ЛЭТИ» [1–4].
На протяжении практически всей своей истории человечество применяло те или иные методы охлаждения, например, используя лёд для увеличения срока годности пищи, однако, значительная часть существующих систем охлаждения имеет иную цель — создание оптимальных температурных условий для работы различных электронных приборов и устройств. Длительное время воплощением передовых технологий являлся персональный компьютер, и если первым моделях хватало пассивного воздушного охлаждения, то сейчас большинство имеет гораздо более сложные системы охлаждения, включающие в себя радиаторы, вентиляторы и тепловые трубки. При этом всё большее распространение получают элементы Пельтье и жидкостные системы охлаждения, имеющие преимущество в бесшумности и большей эффективности. Однако теперь все большее значение приобретают смартфоны, и именно в них производители пытаются заложить самые передовые свои разработки. Современные смартфоны и планшеты по производительности превосходят практически все компьютеры, выпускаемые десять лет назад, обладая значительно меньшим размером. Конечно, частично удалось снизить нагрев устройств за счет уменьшения энергопотребления (чем меньше потребление электроэнергии, тем меньше выделение джоулева тепла), но этого явно недостаточно — если достаточно сильно загрузить смартфон, то он может нагреться настолько, что даже держать его в руках станет не комфортно. Однако создание системы охлаждения для устройств подобного размера затруднено тем, что часть методов охлаждения имеет высокое энергопотребление, как элемент Пельтье, либо значительные геометрические размеры — как воздушное или жидкостное охлаждение. Многие производители рассматривают жидкостное охлаждение как возможный выход, однако маловероятно его применение как окончательной панацеи. Одним из возможных принципов охлаждения, дающих принципиально новые возможности, является электрокалорический эффект.
Суть электрокалорического эффекта заключается в увеличении температуры вещества при создании в нем электрического поля и соответствующего уменьшения температуры при выключении этого поля. Выяснено, что получаемый перепад температур зависит от величины поляризации диэлектрика и от напряженности электрического поля. Так же известно, что наиболее выражен электрокалорический эффект в материалах со структурой, родственной структуре перовскита. В отличии от эффекта Пельтье, электрокалорический эффект основан не на протекании тока через активный слой охлаждающего элемента, а на изменении приложенного напряжения, что упрощает как схему управления подобным элементом, так и его энергопотребление, что очень важно в миниатюрных приборах, или приборах с ограниченным источником питания. [6–7]
Электрокалорический эффект был предсказан еще в девятнадцатом веке — в 1887 известный физик, Уильям Томсон, лорд Кельвин, предсказал электрокалорический эффект исходя из соображений об обратимости пироэлектричества (пироэлектричество — явление возникновения электрического поля в кристаллах при изменении их температуры).
Впервые экспериментально наблюдали электрокалорический эффект известные советские физики И. В. Курчатов и П. П. Кобеко. Ими был предсказан и экспериментально зафиксирован электрокалорический эффект в кристаллах сегнетовой соли (KNaC4Н4O6*4H2O) на стыке 1920–1930х годов. В ходе работ над исследованием свойств сегнетовой соли, было выяснено, что часть свойств, ранее считавшихся аномальными, наблюдается у целого ряда диэлектрических материалов, названных Курчатовым сегнетоэлектриками. Одними из первых сегнетоэлектриков были исследованы сегнетова соль и её изоморфные кристаллы, а так же ряд других соединений, у которых температура фазового перехода меняется в широком диапазоне, в зависимости от её состава.
Всплеск активности научного сообщества в исследовании электрокалорического эффекта и попыток найти ему достойное применение пришелся на шестидесятые годы двадцатого века, однако в силу целого ряда технических и технологических возможностей не удалось создать опытных образцов с изменением температуры, превышающим доли градуса. Этого было явно недостаточно для практического применения, и исследования электрокалорического эффекта были практически полностью свернуты [8].
Интерес к исследованию этого эффекта переживает в настоящий момент второй пик. Это вызвано тем, что в 2006 году в журнале Science была опубликована статья об открытии сильнейшего на тот момент электрокалорического эффекта с температурным откликом в 12 градусов Кельвина. Хотя подобные значения электрокалорического эффекта, названные гигантским электрокалорическим эффектом, были достигнуты при температуре 220 ºС, но сам факт возможности создания материалов со значительно выраженным электрокалорическим эффектом, способным найти широкое применение, вызвал всплеск публикаций на данную тематику [9].
Таблица 1
Основные вехи в исследования ЭКЭ
Среди прочих методов охлаждения, электрокалорический эффект обладает большим количеством преимуществ. Во-первых, на основе электрокалорического эффекта можно создавать твердотельные активные слои охлаждающие устройств, а значит они будут бесшумными, при повреждении, в отличии от жидкостных систем охлаждения, не выведут из строя охлаждаемые схемы, будут проще в производстве, монтаже и уходе. Во-вторых, как было сказано выше, электрокалорический эффект основан на изменении приложенного электрического поля, а не на протекании тока, значит возможно создание охлаждающих устройств с очень низким энергопотреблением, что принципиально важно при создании систем для исследования космоса и прочих систем с высокой степенью автономности. Так же преимуществом является количество электрокалорических материалов — это могут быть как объемные сегнетоэлектрики, так и тонкие пленки. В связи с развитием технологий гибкой электроники, довольно популярным становится создание и исследование электрокалорических материалов в виде полимерных пленок. [10]
Так как электрокалорические материалы относятся к классу сегнетоэлектриков, их можно получать традиционными методами. Например, для создания тонких и толстых пленок, которые более перспективны в современной микро и наноэлектронике, в связи с меньшими нежели у традиционных объемных элементов геометрическими размерами и возможностью интеграции в процесс производства микросхемы, используются такие методы как магнетронное напыление, химическое осаждение из газовой фазы металлоорганических соединений, золь-гель процесс, лазерная абляция и многие другие. Такое многообразие методов так же является важным преимуществом электрокалорических материалов, так как дает возможность под каждый конкретный случай разрабатывать собственные требования и к материалу, и к технологии его получения. Разнообразием так же отличаются и методики исследования получаемых электрокалорических материалов, например атомно-силовая микроскопия становится все более перспективной для изучения поверхности подобных образцов в связи с высокой точностью измерений и широким спектром возможностей, обусловленным совершенствованием старых методов исследования и созданием новых [11–13].
Исследования по созданию и исследованию эффективных электрокалорических материалов проводятся не только за рубежом, но и в России, в частности в СПбГЭТУ. Часть образцов сложного состава была получена золь-гель процессом, в силу ряда его преимуществ, например таких как широкий набор исходных компонентов и возможность выбора материала подложек. Что немаловажно, полученные образцы прозрачны в видимом диапазоне света. Этот факт обуславливает возможность применения электрокалорических охлаждающих устройств в такой зарождающейся области техники, как прозрачная электроника [14–16].
Литература:
1. Максимов А. И., Мошников В. А., Таиров Ю. М., Шилова О.А Основы золь-гель-технологии нанокомпозитов2 изд. СПб.: СПб.: ООО Техномедиа Изд-во Элмор, 2008. 255 с.
2. Золь-гель технология: учеб.пособие /В. А. Жабрев, В. А. Мошников, Ю. М. Таиров, О. А. Шилова. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ»ЛЭТИ», 2004г.
3. Александрова О. А., Мошников В. А. Физика и химия материалов оптоэлектроники и наноэлектроники: Практикум. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2007. 68 с.
4. Мошников В. А., Таиров Ю. М., Хамова Т. В., Шилова О. А. Золь-гель технология микро- и нанокомпозитов: Учеб.пособие. /Под ред. О. А. Шиловой. СПб.: Лань, 2013. — 334c.
5. Мошников В. А., Спивак Ю. М. Атомно-силовая микроскопия для нанотехнологии и диагностики: Учеб.пособие. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2009. — 80с.
6. Еськов А. В. Твердотельные охлаждающие устройства на основе электрокалорического эффекта в сегнетоэлектрических материалах. — Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. СПб, 2014.
7. Tatiana Correia,Qi Zhang Electrocaloric Materials: New Generation of Coolers// Springer Science & Business Media, 2013
8. Булат Л. П., Ведерников М. В., Вялов А. П. и др. Термоэлектрическое охлаждение. Текст лекций // Под ред. Л. П. Булата. — С.-П., СПбГУНиПТ, 2002, 147 с.
9. Mischenko A. S., et al Giant Electrocaloric Effect in Thin-Film PbZr0.95Ti0.05O3. // Science 3 March 2006:Vol. 311 no. 5765 pp. 1270–1271.
10. Флёров И. Н. Калорические эффекты в твердых телах и перспективы их практического использования. //Известия Санкт- Петербургского государственного университета низко температурных и пищевых технологий, 2007
11. Лашкова Н. А., Пермяков Н. В. Исследование полупроводниковых материалов методом микроскопии сопротивления растекания // Молодой ученый, 2014, № 10, с.32–35.
12. N. A. Lashkova et al., Local analysis of semiconductor nanoobjects by scanning tunneling atomic force microscopy// St. Petersburg Polytechnical University Journal: Physics and Mathematics (2015)
13. Абрашова Е. В. Особенности формирования прозрачных тонкопленочных покрытий на основе соединений оксидов металлов олова и цинка золь-гель методом // Молодой ученый, 2013, № 2, с. 1–4.
14. Abrashova E. V., Gracheva I. E., Moshnikov V. A. / Functional nanomaterials based on metal oxides with hierarchical structure. / Journal of Physics: Conference Series 461 (2013) 012019 doi:10.1088/1742–6596/461/1/012019
15. Abrashova E V and Fominykh A K Investigation of lead-free thin films based on barium titanate for electrocaloric devices// J. Phys.: Conf. Ser. — 2014–541 012091
16. Абрашова Е. В., Фоминых А. К., Синтез и исследование многокомпонентных металлооксидов, полученных методом золь-гель // Молодой ученый. — 2014. — № 11. — С. 29–33.
