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图1 热开关示意图和导热系数调控机理
图2 热开关的开关比、开关次数和开关时间测试
在国家自然科学基金项目（52206092、52035003、52372105）资助下，南京师范大学的刘晨晗副教授，哈尔滨工业大学（深圳）的陈祖煌教授和东南大学的陈云飞教授合作，提出了一种基于反铁电-铁电可逆相变实现热开关功能的新方法，并据此成功开发出一种低压驱动的长寿命、大开关比和超快响应的反铁电热开关原型器件。研究成果以“反铁电 PbZrO3 薄膜中低压驱动的高性能热开关（Low voltage-driven high-performance thermal switching in antiferroelectric PbZrO3 thin films）”为题，于2023年12月15日在《科学》（Science）杂志上发表。论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adj9669。
导热系数的可逆调控可动态调节热路中热流的大小，是一种高效的热控技术，其能够解决器件发展在散热、温度稳定性和能源利用率上的短板，有利于提高能源利用率和电子器件寿命。热流的传导主要来源于晶格的声子，相比于电子的输运特性和应用已经被人们很好的掌握，对于声子热输运特性的理解和调控一直存在较大的空白。传统方法如通过掺杂、应变和变温等手段可以调控材料的导热系数，但难以同时满足高开关比、可逆和快速调控的要求。有鉴于此，研究人员基于反铁电PbZrO3薄膜利用反铁电-铁电相变调控原胞大小，实现导热系数的大幅可逆调控。具体而言，如图1所示，未加电场时PbZrO3处于反铁电相，晶格内有反平行的极化，结构较为复杂，原胞内原子数为40；施加足够强的电场（大于翻转场强）时，反平行的极化会发生翻转，沿着电场方向排布，原胞内原子数减少；撤销电场后，晶格结构会恢复到起初的反铁电相。依据动力学理论，声子-声子散射与原胞内原子数有很强的依赖性，故反铁电-铁电相变能够可逆调控导热系数，实现热开关的功能。
研究人员制备了（100）、（110）和（111）三个晶向的反铁电PbZrO3薄膜，并采用时域瞬态热测量技术原位高精度地测量了其在外加电场作用下的导热系数响应。如图2所示，外场作用下（111）PbZrO3的导热系数最高、开关比最大，表明沿着[111]方向施加电场，其铁电相最简单。该结果首次揭示出薄膜外延生长方向对开关比的重要影响。此外，研究人员还测量了千万次循环后的开关比以及热开关的开关时间。测量结果表明，反铁电PbZrO3薄膜除了拥有高开关比之外，还具有长工作寿命和超快响应的优势，是热功能器件的一大进步。研究人员的这些发现有望推进对（反）铁电体中声子热输运的理解，并提供实现热传导主动控制的高效策略。