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Large pyroelectric current generation induced by droplet cooling
由液滴冷却引起的大热释电电流
研究背景
在能源消耗巨大的时代，能源资源投资已成为一个研究热点，包括热能的收集、太阳能、风能等。热能是最丰富的能源之一，它无处不在地存在于我们的日常生活和周围环境中，并且具有充分的可回收利用的机会。在各种各样的热能收集方法中，典型的方法之一是热释电效应，它已经得到了广泛应用，如能量转换系统，光电探测器（pd），温度传感器以及二氧化碳的分析还原。热释电效应是由热释电材料中自发极化的温度变化引起的，热释电材料本质上具有非中心对称结构，在没有外加电场的情况下表现出极化。
文章亮点
本文演示了通过液滴冷却在py电系统上实现快速温度变化的一种替代和简单的方法，从而增强了热释电电流的产生。该热释电系统由一层钽酸锂热释电层（LiTaO3）组成，该热释电层夹在两层金/钛（Au/Ti）之间作为上下电极。由于水的高潜热和高感热，液滴冷却过程中热交换迅速，热释电层温度变化快，最大速率为~725 C/s。感应热释电电流密度高达~8.8 μA/cm2。这样的热电流密度是迄今为止报道的最高的。本文用不同润湿性的表面对热释电响应进行了研究。在液滴冷却过程中，亲水表面的散热速度比疏水表面更快，从而产生更大的电流。这项工作有助于扩大热释电材料在涉及利用热释电效应的电流产生的各种设施中的应用。
结果解析
图1.基于LiTaO3板的热释电系统结构示意图及液滴冷却过程中的电流产生。液滴在冷却过程中迅速蒸发，导致温度变化快，热释电电流的产生增强
图2. (a)实验装置示意图。(b)水滴冷却过程中的温度变化。(c)对应的dT/ dT曲线和(d)样品P在135度、152 度、170度和186 度表面温度下的热释电电流密度的典型信号。
图3. (a) -(b)样品P在170度时单水滴冷却过程的典型温度曲线和对应的电流密度变化曲线。(a)和(b)中的粉色菱形代表了冷却过程中的四个不同阶段(c1)-(c4)，说明了Au/Ti - litao3 - Au/Ti热释电体系的工作机理。（c1）水滴落到预热热释电系统之前的阶段。图中显示了热释电体系的初始极化状态，自发电偶极子自上向下垂直，分别在上电极和下电极上诱导负电荷和正电荷。（c2）水滴蒸发速度最快，温度变化（dT/ dT）最大的阶段。热释电体系极化状态的改变导致了诱导电子从底部流向顶部。（c3）温度保持在~100 ℃时，水滴稳定蒸发的阶段，温度变化消失，不产生电流。（c4）水滴冷却后的阶段。样品温度迅速回升到预热值，导致反向电流产生。
结论与展望
本研究展示了一种利用多层热释电系统产生快速温度变化以增强热释电电流的替代方法。两层Au/Ti作为底部和顶部电极，通过物理气相沉积法沉积在LiTaO3板的两侧。将热释电样品预热，并将水滴在Au层的上表面以冷却样品。在高于水沸点的温度下，由于水的高潜热和显热，大量的热量被蒸发额定液滴吸收带走，导致温度变化快。
原文链接
https://doi.org/10.1016/j.pnsc.2024.07.006
期刊简介
Progress in Natural Science: Materials International(PNSMI)由中国材料研究学会主办，是一本综合类英文SCI学术期刊，刊登材料科学领域的基础研究和应用基础研究方面的高水平、有创造性和重要意义的最新研究成果。
2022年最新影响因子4.8，分区为中科院材料科学二区。入选2019年中国科技期刊卓越行动计划，2022、2023连续两年获评中国最具国际影响力学术期刊。
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