We report on numerical investigation of the electrocaloric effect, an important physical phenomenon in compositionally graded ferroelectric (CGFE) nanowires made of Pb(1x)SrxTiO3 whose material compositions spatially vary along the longitudinal direction of nanowires. In this study, all numerical evidences are demonstrated through the phase field model based on the Ginzburg–Landau theory. Here, the change of polarization with temperature can be tailored by controlling the gradient of material compositions in CGFE nanowires. The isothermal entropy and adiabatic temperature changes are enhanced with an increasing compositional gradient in CGFE nanowires. The electrocaloric effect is found to have high magnitude near room temperature in CGFE nanowires of PbTiO3 (top surface)/SrTiO3 (bottom surface), which is much larger than that in homogeneous ferroelectric nanowire with the same average material composition. In addition, the high electrocaloric effect in CGFE nanowires of PbTiO3/SrTiO3 is achieved in a wide range near room temperature. We also discuss the potential of CGFE nanowires for electrocaloric cooling applications, and more importantly, this work, in essence, opens a new route to enhance the electrocaloric properties of ferroelectric nanowires near room temperature by controlling the gradient of material compositions.

1.
V. K.
Pecharsky
and
K. A.
Gschneidner
, Jr.,
J. Magn. Magn. Mater.
200
,
44
(
1999
).
2.
3.
M.
Ožbolt
,
A.
Kitanovski
,
J.
Tušek
, and
A.
Poredoš
,
Int. J. Refrig.
40
,
174
(
2014
).
4.
X.
Moya
,
S.
Kar-Narayan
, and
N. D.
Mathur
,
Nat. Mater.
13
,
439
(
2014
).
5.
J. F.
Scott
,
Annu. Rev. Mater. Res.
41
,
229
(
2011
).
6.
P.
Kobeco
and
I. V.
Kurtchatov
,
Z. Phys.
66
,
192
(
1930
).
7.
A. S.
Mischenko
,
Q.
Zhang
,
J. F.
Scott
,
R. W.
Whatmore
, and
N. D.
Mathur
,
Science
311
,
1270
(
2006
).
8.
Q. M.
Zhang
,
V.
Bharti
, and
X.
Zhao
,
Science
280
,
2101
(
1998
).
9.
B.
Neese
,
B.
Chu
,
S.-G.
Lu
,
Y.
Wang
,
E.
Furman
, and
Q. M.
Zhang
,
Science
321
,
821
(
2008
).
10.
X.
Moya
,
E.
Stern-Taulats
,
S.
Crossley
,
D.
González-Alonso
,
S.
Kar-Narayan
,
A.
Planes
,
L.
Mañosa
, and
N. D.
Mathur
,
Adv. Mater.
25
,
1360
(
2013
).
11.
E.
Defay
,
S.
Crossley
,
S.
Kar-Narayan
,
X.
Moya
, and
N. D.
Mathur
,
Adv. Mater.
25
,
3337
(
2013
).
12.
S.-G.
Lu
and
Q.
Zhang
,
Adv. Mater.
21
,
1983
(
2009
).
13.
X.-S.
Qian
,
H.-J.
Ye
,
Y.-T.
Zhang
,
H.
Gu
,
X.
Li
,
C. A.
Randall
, and
Q.
Zhang
,
Adv. Funct. Mater.
24
,
1300
(
2014
).
14.
W.
Geng
,
Y.
Liu
,
X.
Meng
,
L.
Bellaiche
,
J. F.
Scott
,
B.
Dkhil
, and
A.
Jiang
,
Adv. Mater.
27
,
3165
(
2015
).
15.
S. G.
Lu
,
B.
Rožič
,
Q. M.
Zhang
,
Z.
Kutnjak
,
X.
Li
,
E.
Furman
,
L. J.
Gorny
,
M.
Lin
,
B.
Malič
,
M.
Kosec
et al.,
Appl. Phys. Lett.
97
,
162904
(
2010
).
16.
P. D.
Thacher
,
J. Appl. Phys.
39
,
1996
(
1968
).
17.
J. H.
Qiu
and
Q.
Jiang
,
J. Appl. Phys.
105
,
034110
(
2009
).
18.
H.-H.
Wu
,
J.
Zhu
, and
T.-Y.
Zhang
,
RSC Adv.
5
,
37476
(
2015
).
19.
M.
Liu
and
J.
Wang
,
Sci. Rep.
5
,
7728
(
2015
).
20.
R.
Herchig
,
C.-M.
Chang
,
B.
Mani
, and
I.
Ponomareva
,
Sci. Rep.
5
,
17294
(
2015
).
21.
H.
Huang
,
G.
Zhang
,
X.
Ma
,
D.
Liang
,
J.
Wang
,
Y.
Liu
,
Q.
Wang
, and
L.-Q.
Chen
,
J. Am. Ceram. Soc.
101
,
1566
(
2018
).
22.
X.
Hou
,
H.
Li
,
T.
Shimada
,
T.
Kitamura
, and
J.
Wang
,
J. Appl. Phys.
123
,
124103
(
2018
).
23.
J.
Wang
,
M.
Liu
,
Y.
Zhang
,
T.
Shimada
,
S.-Q.
Shi
, and
T.
Kitamura
,
J. Appl. Phys.
115
,
164102
(
2014
).
24.
X.
Hou
,
H.
Wu
,
H.
Li
,
H.
Chen
, and
J.
Wang
,
J. Phys. Condens. Matter
30
,
465401
(
2018
).
25.
J. H.
Qiu
and
Q.
Jiang
,
J. Appl. Phys.
103
,
084105
(
2008
).
26.
M.
Marathe
and
C.
Ederer
,
Appl. Phys. Lett.
104
,
212902
(
2014
).
27.
B.
Lu
,
P.
Li
,
Z.
Tang
,
Y.
Yao
,
X.
Gao
,
W.
Kleemann
, and
S.-G.
Lu
,
Sci. Rep.
7
,
45335
(
2017
).
28.
F.
Han
,
Y.
Bai
,
L.-J.
Qiao
, and
D.
Guo
,
J. Mater. Chem. C
4
,
1842
(
2016
).
29.
R.
Pirc
,
Z.
Kutnjak
,
R.
Blinc
, and
Q. M.
Zhang
,
J. Appl. Phys.
110
,
074113
(
2011
).
30.
S.
Crossley
,
B.
Nair
,
R. W.
Whatmore
,
X.
Moya
, and
N. D.
Mathur
,
Phys. Rev. X
9
,
041002
(
2019
).
31.
R.
Chukka
,
J. W.
Cheah
,
Z.
Chen
,
P.
Yang
,
S.
Shannigrahi
,
J.
Wang
, and
L.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
98
,
242902
(
2011
).
32.
D.
Saranya
,
A. R.
Chaudhuri
,
J.
Parui
, and
S. B.
Krupanidhi
,
Bull. Mater. Sci.
32
,
259
(
2009
).
33.
F.
Le Goupil
,
R.
McKinnon
,
V.
Koval
,
G.
Viola
,
S.
Dunn
,
A.
Berenov
,
H.
Yan
, and
N. M.
Alford
,
Sci. Rep.
6
,
28251
(
2016
).
34.
Y.
Bai
,
D.
Wei
, and
L.-J.
Qiao
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
192904
(
2015
).
35.
J. H.
Qiu
and
Q.
Jiang
,
Solid State Commun.
149
,
1549
(
2009
).
36.
A.
Grünebohm
and
T.
Nishimatsu
,
Phys. Rev. B
93
,
134101
(
2016
).
37.
Y.-B.
Ma
,
A.
Grünebohm
,
K.-C.
Meyer
,
K.
Albe
, and
B.-X.
Xu
,
Phys. Rev. B
94
,
094113
(
2016
).
38.
M.
Wu
,
D.
Song
,
G.
Vats
,
S.
Ning
,
M.
Guo
,
D.
Zhang
,
D.
Xue
,
S. J.
Pennycook
, and
X.
Lou
,
J. Mater. Chem. C
6
,
10332
(
2018
).
39.
M.
Sanlialp
,
V. V.
Shvartsman
,
M.
Acosta
,
B.
Dkhil
, and
D. C.
Lupascu
,
Appl. Phys. Lett.
106
,
062901
(
2015
).
40.
Y.
Bai
,
X.
Han
,
K.
Ding
, and
L.-J.
Qiao
,
Appl. Phys. Lett.
103
,
162902
(
2013
).
41.
S.
Patel
,
A.
Chauhan
, and
R.
Vaish
,
Appl. Phys. Lett.
107
,
042902
(
2015
).
42.
Y.
Zhou
,
Q.
Lin
,
W.
Liu
, and
D.
Wang
,
RSC Adv.
6
,
14084
(
2016
).
43.
J. C.
Agar
,
A. R.
Damodaran
,
M. B.
Okatan
,
J.
Kacher
,
C.
Gammer
,
R. K.
Vasudevan
,
S.
Pandya
,
L. R.
Dedon
,
R. V. K.
Mangalam
,
G. A.
Velarde
et al.,
Nat. Mater.
15
,
549
(
2016
).
44.
A. R.
Damodaran
,
S.
Pandya
,
Y.
Qi
,
S.-L.
Hsu
,
S.
Liu
,
C.
Nelson
,
A.
Dasgupta
,
P.
Ercius
,
C.
Ophus
,
L. R.
Dedon
,
J. C.
Agar
,
H.
Lu
,
J.
Zhang
,
A. M.
Minor
,
A. M.
Rappe
, and
L. W.
Martin
,
Nat. Commun.
8
,
14961
(
2017
).
45.
N.
Choudhury
,
L.
Walizer
,
S.
Lisenkov
, and
L.
Bellaiche
,
Nature
470
,
513
(
2011
).
46.
L. V.
Lich
and
V.-H.
Dinh
,
RSC Adv.
9
,
7575
(
2019
).
47.
L. V.
Lich
,
T. Q.
Bui
,
T.
Shimada
,
T.
Kitamura
,
T.-G.
Nguyen
, and
V.-H.
Dinh
,
Phys. Rev. Appl.
11
,
054001
(
2019
).
48.
L. V.
Lich
,
M.-T.
Le
,
T. Q.
Bui
,
T.-T.
Nguyen
,
T.
Shimada
,
T.
Kitamura
,
T.-G.
Nguyen
, and
V.-H.
Dinh
,
Acta Mater.
179
,
215
(
2019
).
49.
L.-Q.
Chen
,
J. Am. Ceram. Soc.
91
,
1835
(
2008
).
50.
M. J.
Haun
,
E.
Furman
,
S. J.
Jang
,
H. A.
McKinstry
, and
L. E.
Cross
,
J. Appl. Phys.
62
,
3331
(
1987
).
51.
N. A.
Pertsev
,
A. G.
Zembilgotov
, and
A. K.
Tagantsev
,
Phys. Rev. Lett.
80
,
1988
(
1998
).
52.
Y. L.
Li
,
S.
Choudhury
,
J. H.
Haeni
,
M. D.
Biegalski
,
A.
Vasudevarao
,
A.
Sharan
,
H. Z.
Ma
,
J.
Levy
,
V.
Gopalan
,
S.
Trolier-McKinstry
,
D. G.
Schlom
,
Q. X.
Jia
, and
L. Q.
Chen
,
Phys. Rev. B
73
,
184112
(
2006
).
53.
G.
Sheng
,
Y. L.
Li
,
J. X.
Zhang
,
S.
Choudhury
,
Q. X.
Jia
,
V.
Gopalan
,
D. G.
Schlom
,
Z. K.
Liu
, and
L. Q.
Chen
,
J. Appl. Phys.
108
,
084113
(
2010
).
54.
L. V.
Lich
,
T.
Shimada
,
S.
Sepideh
,
J.
Wang
, and
T.
Kitamura
,
Acta Mater.
113
,
81
(
2016
).
55.
T.
Shimada
,
L. V.
Lich
,
K.
Nagano
,
J.
Wang
, and
T.
Kitamura
,
Sci. Rep.
5
,
14653
(
2015
).
56.
J.
Wang
,
M.
Kamlah
,
T.-Y.
Zhang
,
Y.
Li
, and
L.-Q.
Chen
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
162905
(
2008
).
57.
D. H.
Kang
,
J. H.
Kim
,
J. H.
Park
, and
K. H.
Yoon
,
Mater. Res. Bull.
36
,
265
(
2001
).
58.
M.
Jain
,
S. B.
Majumder
,
R.
Guo
,
A. S.
Bhalla
, and
R. S.
Katiyar
,
Mater. Lett.
56
,
692
(
2002
).
59.
S.
Nomura
and
S.
Sawada
,
J. Phys. Soc. Jpn.
10
,
108
(
1955
).
60.
B.
Nair
,
T.
Usui
,
S.
Crossley
,
S.
Kurdi
,
G.
Guzmán-Verri
,
X.
Moya
,
S.
Hirose
, and
N. D.
Mathur
,
Nature
575
,
468
(
2019
).
61.
Y. V.
Sinyavsky
,
G. E.
Lugansky
, and
N. D.
Pashkov
,
Cryogenics
32
,
28
(
1992
).
62.
G.
Akcay
,
S. P.
Alpay
,
G. A.
Rossetti
, and
J. F.
Scott
,
J. Appl. Phys.
103
,
024104
(
2008
).
63.
A. S.
Mischenko
,
Q.
Zhang
,
R. W.
Whatmore
,
J. F.
Scott
, and
N. D.
Mathur
,
Appl. Phys. Lett.
89
,
242912
(
2006
).
64.
M.
Valant
,
L. J.
Dunne
,
A.-K.
Axelsson
,
N. M.
Alford
,
G.
Manos
,
J.
Peräntie
,
J.
Hagberg
,
H.
Jantunen
, and
A.
Dabkowski
,
Phys. Rev. B
81
,
214110
(
2010
).
65.
M. W.
Cole
,
E.
Ngo
,
S.
Hirsch
,
J. D.
Demaree
,
S.
Zhong
, and
S. P.
Alpay
,
J. Appl. Phys.
102
,
034104
(
2007
).
66.
M. W.
Cole
,
E.
Ngo
,
S.
Hirsch
,
M. B.
Okatan
, and
S. P.
Alpay
,
Appl. Phys. Lett.
92
,
072906
(
2008
).
You do not currently have access to this content.