越來越多的制冷器件開始利用PbSc?.?Ta?.?O?(PST)多層電容器中由超臨界驅動一階鐵電相變所產生的巨大電卡效應。

然而，這類 PST 多層電容器通常只能在高于室溫居里溫度的條件下工作，并且需要長達42天的高溫退火才能獲得較高的 B 位有序度，從而最大化相變潛熱。這不僅限制了其工作溫區，也顯著增加了制備過程的能耗和成本。

在此，來自英國劍橋大學的M. Guo、N. D. Mathur以及X. Moya、日本京都村田制作所的S. Hirose等研究者發現，通過引入 PbMg?.?W?.?O?(PMW)對 PST 進行稀釋，可以顯著放大價態失配效應。相關論文以題為“Electrocaloric effects across room temperature in multilayer capacitors”于2026年05月06日發表在Nature上。

越來越多的制冷器件開始利用 PbSc?.?Ta?.?O?（PST）多層電容器 中由超臨界驅動一階鐵電相變所產生的巨大電卡效應。

然而，這類 PST 多層電容器通常只能在高于室溫居里溫度的條件下工作，并且需要長達42天的高溫退火才能獲得較高的 B 位有序度，從而最大化相變潛熱。

這不僅限制了其工作溫區，也顯著增加了制備過程的能耗和成本。

在本文中，研究者發現，通過引入 PbMg?.?W?.?O?（PMW） 對 PST 進行稀釋，可以顯著放大價態失配效應。

該策略在無需退火的情況下，仍能夠維持較高的 B 位有序度和較大的相變潛熱；與此同時，它還能破壞偶極有序結構，使居里溫度降低至 230 K。

這一結果表明，PST–PMW 體系能夠在保持強電卡響應的同時，將工作溫區拓展至室溫及室溫以下。

進一步地，研究制備的 PST–PMW 多層電容器 在 17.1 V μm?1 的電場下表現出約 3 K 的超臨界電卡溫變，并且該器件可承受超過 10? 次 電場循環而不發生擊穿，顯示出優異的電學可靠性。

更重要的是，當這些多層電容器應用于理想流體再生器，并假設系統能夠實現功回收時，其制冷循環效率可達到 70–90%。

總體來看，本研究表明，PST–PMW 多層電容器相比傳統 PST 多層電容器具有更寬的工作溫區、更低的制備能耗以及更高的器件可靠性，因此有望在電卡制冷原型器件中取代 PST 多層電容器，推動電卡制冷技術向實際制冷應用邁進。

圖1 多層電容器及 PST–PMW 材料的結構表征。

圖2 85PST–15PMW 的間接電卡效應測量。

圖3 85PST–15PMW 電卡熱效應與溫度變化的直接測量。

圖4 室溫以上及室溫以下的有效電卡溫變。

圖5 再生制冷循環效率分析。

總而言之，研究者開發了一類新型多層電容器)MLCs)，其中通過以 PbMg?.?W?.?O?(PMW) 部分取代 PbSc?.?Ta?.?O?(PST)，使材料能夠通過低溫燒結實現致密化。

這一策略不僅保留了高價與低價 B 位陽離子之間的有序排列，還避免了傳統 PST 多層電容器所需的長時間、高成本退火處理。

B 位有序結構的保留有助于限制相變潛熱的降低；與此同時，PMW 對偶極有序的擾動又能夠降低居里溫度，使材料在更寬溫區內、特別是在較低溫度下，仍可通過超臨界電場驅動產生顯著電卡效應。

PMW 稀釋后的 PST 之所以能夠保持良好的 B 位有序性，主要源于高價與低價陽離子之間價態失配的進一步增強。

在 B 位有序 PST 中，Sc3?（0.75 ?）與 Ta??（0.64 ?）之間已經存在明顯的價態和尺寸差異；而在引入 PMW 后，替代陽離子 Mg2?（0.66 ?）與 W??（0.60 ?）進一步放大了價態失配，同時部分保留了尺寸失配效應。

為了理解為何無需退火也能獲得良好的 B 位有序結構，可以先比較 PST 和 PMW 多層電容器的制備特點。傳統 PST 多層電容器需要在 1400 °C 高溫下燒結以實現致密化和較高擊穿場強，但這一過程會破壞原有 B 位有序結構，因此必須經過長達 42 天 的退火來恢復有序性。

相比之下，純 PMW 多層電容器僅需在 950 °C 低溫燒結即可實現良好致密化，并且原有 B 位有序結構能夠被保留下來。

對于本研究中的 PST–PMW 多層電容器，1250 °C 的中溫燒結既足以實現致密化，又不會明顯破壞高價與低價陽離子之間的 B 位有序結構，因此無需額外退火。

本研究獲得的有效電卡溫變 |ΔTeff| 和循環效率，是在與現有 PST 電卡制冷原型器件相同的 600 V 驅動電壓下測得的，且該電壓能夠以可重復方式驅動電卡效應。

實驗中，該電壓在 322 個雙極循環 中共施加 644 次；在疲勞測試中，電場驅動次數超過 1.5 × 10? 次，仍未觀察到電卡性能衰減，表明該材料體系具有優異的循環穩定性和抗疲勞能力。

該研究表明，PST–PMW 多層電容器有望在電卡制冷原型器件中取代傳統 PST 多層電容器，因為實現從環境溫度以上到環境溫度以下的制冷具有廣泛應用價值。

值得注意的是，在 600 V 下獲得的電卡效應尚未達到飽和，因此若通過工藝優化進一步提高擊穿電壓，則有望獲得更大的電卡響應。

與 PST 相比，這種提升在 PST–PMW 中可能更加顯著，因為 PST–PMW 的非滯回單相電卡效應相對于一階相變相關電卡效應的提升幅度更大，可達到 120–160%，而 PST 中僅約為 23%。

更廣泛地看，本研究提出的材料開發思路，即基于價態–尺寸失配調控燒結行為，以及構建鐵電–反鐵電固溶體，有望為其他陶瓷材料的性能優化提供啟發，不僅適用于電卡制冷，也可能拓展至更廣泛的功能陶瓷應用領域。

參考文獻

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

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

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