近日，中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院固體物理研究所功能材料物理與器件研究部林建超、童鵬等，與中科院金屬研究所李昺、中科院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院鐘國華等合作，在二元金屬硫化物Ni1-xFexS中發(fā)現(xiàn)電子熵增強(qiáng)的室溫巨壓卡效應(yīng)。相關(guān)研究成果以Giant Room-temperature Barocaloric Effect at the Electronic Phase Transition in Ni1-xFexS為題，發(fā)表在Materials Horizons（DOI: 10.1039/C9MH01976F）上。

　　全球每年25~30%的電力被用于制冷行業(yè)?，F(xiàn)有制冷技術(shù)大多依賴于傳統(tǒng)的氣體壓縮循環(huán)，制冷效率低且使用的制冷劑（如氟利昂）對(duì)環(huán)境有害（如產(chǎn)生溫室效應(yīng)）。固態(tài)相變材料可在磁場(chǎng)、電場(chǎng)、軸向力或等靜壓的驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生熵變和溫變，即磁卡（熱）、電卡（熱）、彈卡（熱）、壓卡（熱）效應(yīng)，統(tǒng)稱固態(tài)相變熱效應(yīng)。與之對(duì)應(yīng)的固態(tài)制冷技術(shù)由于效率高且環(huán)境友好，成為取代現(xiàn)有制冷技術(shù)的理想方案之一。相較于磁卡、彈卡、電卡效應(yīng)，壓卡效應(yīng)的研究尚處于起步階段，因此探索新型壓卡材料、闡明壓卡效應(yīng)機(jī)理是現(xiàn)階段的主要研究方向。

　　六角結(jié)構(gòu)的二元金屬硫化物NiS因非金屬-金屬轉(zhuǎn)變引起研究人員的關(guān)注。該一級(jí)相變伴隨著晶格體積的陡峭收縮，且相變溫度對(duì)壓力敏感。研究人員在Ni位引入Fe元素制備Ni1-xFexS（0≤x≤0.175）系列樣品，實(shí)現(xiàn)了在室溫范圍內(nèi)（260K-330K）對(duì)材料相變溫度的靈活調(diào)控。壓力下差示掃描量熱法（DSC）測(cè)試結(jié)果表明，Ni1-xFexS樣品均呈現(xiàn)顯著的壓卡效應(yīng)，100 MPa壓力驅(qū)動(dòng)的熵變值可達(dá)52.8J K-1 kg-1，僅次于塑晶（plastic crystals）等少數(shù)幾個(gè)材料體系。低溫電子比熱、中子衍射和第一性原理計(jì)算結(jié)果表明，F(xiàn)e部分取代Ni后，仍保留一級(jí)相變特征。相變前后電子熵變與晶格熵變相當(dāng)，兩者的協(xié)同作用導(dǎo)致巨壓卡效應(yīng)。Ni1-xFexS樣品在相變前后的平均熱導(dǎo)率可達(dá)11.5 W m-1 K-1，高于現(xiàn)有的壓卡材料體系，是塑晶熱導(dǎo)率（0.12 Wm-1 K-1）的100倍。在實(shí)際應(yīng)用中，熱導(dǎo)率大小是衡量壓卡材料性能的重要指標(biāo)之一。高熱導(dǎo)率意味著高的換熱效率，有利于獲得高工作頻率和制冷功率密度。

　　在已報(bào)道的大部分壓卡材料中，除大的晶格熵變外，自旋或電偶極子等也對(duì)總熵變有重要貢獻(xiàn)。電子熵變由于貢獻(xiàn)小，往往被忽略不計(jì)。目前，對(duì)具有顯著電子熵貢獻(xiàn)的壓卡材料鮮有報(bào)道。該研究從實(shí)驗(yàn)上闡明電子熵對(duì)巨壓卡效應(yīng)的貢獻(xiàn)，為探索高性能壓卡新材料體系提供了新視角。

　　研究工作受到中科院前沿重點(diǎn)研究計(jì)劃、大科學(xué)裝置聯(lián)合基金、深圳市基礎(chǔ)研究計(jì)劃，以及合肥大科學(xué)中心“高端用戶培育基金”項(xiàng)目等的資助。該研究的中子衍射實(shí)驗(yàn)依托中國散裂中子源（CSNS）的通用粉末衍射譜儀完成。

Ni1-xFexS巨壓卡效應(yīng)起源的示意圖以及壓卡、熱導(dǎo)性能與現(xiàn)有壓卡材料的對(duì)比。