近期，中科院合肥研究院固体所功能材料物理与器件研究部林建超、童鹏等与中科院金属研究所李昺、中科院深圳先进技术研究院钟国华等人合作，在二元金属硫化物Ni1-xFexS中发现了电子熵增强的室温巨压卡效应。相关研究成果以“Giant Room-temperature Barocaloric Effect at the Electronic Phase Transition in Ni1-xFexS”为题发表在Materials Horizons (Mater. Horizons 2020, DOI: 10.1039/C9MH01976F) 上。
全球每年25-30%的电力被用于制冷行业。而现有的制冷技术大多依赖于传统的气体压缩循环，制冷效率低且使用的制冷剂（如氟利昂）对环境有害（如，产生温室效应）。固态相变材料可在磁场、电场、轴向力或等静压的驱动下产生熵变和温变，即磁卡（热）、电卡（热）、弹卡（热）、压卡（热）效应，统称固态相变热效应。与之对应的固态制冷技术由于效率高且环境友好，成为取代现有制冷技术的理想方案之一。相较于磁卡、弹卡、电卡效应，压卡效应的研究尚处于起步阶段，因此探索新型压卡材料、阐明压卡效应机理是现阶段的主要研究方向。
六角结构的二元金属硫化物NiS因非金属-金属转变引起研究人员的广泛关注。该一级相变伴随着晶格体积的陡峭收缩，且相变温度对压力敏感。研究人员通过在Ni位引入Fe元素制备了Ni1-xFexS（0≤x≤0.175）系列样品，实现了在室温范围内（260K-330K）对材料相变温度的灵活调控。压力下差示扫描量热法（DSC）测试结果表明，Ni1-xFexS样品均呈现显著的压卡效应，100 MPa压力驱动的熵变值可达52.8J K-1 kg-1，仅次于塑晶（plastic crystals）等少数几个材料体系。低温电子比热、中子衍射和第一性原理计算结果表明，Fe部分取代Ni后，仍保留一级相变特征。相变前后电子熵变与晶格熵变相当，两者的协同作用导致了巨大压卡效应。不仅如此，Ni1-xFexS样品在相变前后的平均热导率可达11.5 W m-1 K-1，高于现有的压卡材料体系，是塑晶热导率（0.12 Wm-1 K-1）的100倍！在实际应用中，热导率大小是衡量压卡材料性能的一个重要指标。高热导率意味着高的换热效率，有利于获得高工作频率和制冷功率密度。
在已报道的绝大部分压卡材料中，除了大的晶格熵变外，自旋或者电偶极子等也往往对总熵变起重要贡献。而电子熵变由于贡献小，往往被忽略不计。换言之，目前对具有显著电子熵贡献的压卡材料还鲜有报道。上述研究结果首次从实验上阐明了电子熵对巨压卡效应的重要贡献，为探索高性能压卡新材料体系提供了新视角。
该工作得到了中科院前沿重点研究计划、中科院百人计划、大科学装置联合基金、深圳市基础研究计划及合肥大科学中心“高端用户培育基金”项目的资助。该项工作的中子衍射实验依托中国散裂中子源（CSNS）的通用粉末衍射谱仪完成。
论文链接：https://doi.org/10.1039/C9MH01976F
图1. Ni1-xFexS巨压卡效应起源的示意图以及压卡、热导性能与现有压卡材料的对比。
