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[導讀]熱釋電材料是一種壓電材料,是不具有中心對稱性的晶體。在產(chǎn)生熱釋電效應的大量晶體中,熱釋電系數(shù)最大的是鐵電晶體材料,即鐵電體,它與其他熱釋電材料的區(qū)別在于鐵電晶體的自發(fā)極化能在外加電場作用下反轉過來,且當溫度達到居里溫度時,極化立即消失,晶體發(fā)生從極化到非極化的相變。

熱釋電材料是一種壓電材料,是不具有中心對稱性的晶體。在產(chǎn)生熱釋電效應的大量晶體中,熱釋電系數(shù)最大的是鐵電晶體材料,即鐵電體,它與其他熱釋電材料的區(qū)別在于鐵電晶體的自發(fā)極化能在外加電場作用下反轉過來,且當溫度達到居里溫度時,極化立即消失,晶體發(fā)生從極化到非極化的相變。由于鐵電晶體的熱電系數(shù)遠大于其他熱釋電材料,以致鐵電體以外的其他熱釋電材料很少用來進行制作熱釋電探測器。在已知的熱釋電材料在一千種以上,但僅對其中10%的熱釋電特性進行了研究,研究發(fā)現(xiàn)真正能滿足器件要求的不過十幾種,它們都是鐵電體,其中最主要的有TGS(硫酸三甘肽)、SBN(鈮酸鍶鋇)、LT(鉭酸鋰)等。

極性晶體因溫度變化而發(fā)生電極化改變的現(xiàn)象成為熱釋電效應。熱釋電效應的原因是晶體中存在著自發(fā)極化,溫度變化時自發(fā)極化也發(fā)生變化,當溫度發(fā)生變化時所引起的電偶極矩不能及時被補償時,自發(fā)極化就能表現(xiàn)出來。晶體中溫度發(fā)生了微小變化,則極化矢量P的改變可表達為熱釋電系數(shù),這是熱釋電晶體的主要參數(shù),晶體的熱釋電效應是矢量描述,一般有三個分量。具有對稱中心的晶體不可能具有熱釋電效應,而在20類壓電晶體中,也只有某些有特殊極軸方向的晶體才具有熱釋電性質(zhì),故只有10種極性晶類才是熱釋電晶類。

這類晶體同樣具有P值高、性能穩(wěn)定的特點,但與熱釋電晶體不同的是在外電場作用下其自發(fā)極化會改變方向。典型的有硫酸三甘肽(TGS)及其改性的材料。(1)硫酸三甘肽(TGS)類晶體硫酸三甘肽又稱三甘氨酸硫酸鹽,是一類最重要最常用的熱釋電材料。TGS是由甘氨酸和硫酸以3:1的摩爾比例配制成飽和水溶液,然后用降溫生長單晶而獲得,較容易得到大的優(yōu)質(zhì)單晶體。其結構屬單斜晶系,居里點約為49℃。TGS是典型的二級相變鐵電體,通常鐵電體需極化才具有熱釋電性質(zhì)。TGS晶體的極化強度大,相對介電常數(shù)小,材料的電壓響應優(yōu)值也大,是一種重要的熱釋電探測器材料,而且方便器件的制作。

但是易吸潮,機械強度差,存在退極化現(xiàn)象以及介電損耗較大等。采用密封封裝可以避免材料受潮。為了進一步提高TGS的熱釋電性質(zhì),特別是提高其居里點,防止退極化,采用在重水中培養(yǎng)或摻人有益雜質(zhì)的方法生長TGS晶體。(2)金屬酸化物晶體。金屬酸化物晶體可在高溫下用提拉法生長,獲得高質(zhì)量的單晶。這類晶體物化性質(zhì)穩(wěn)定,機械強度高,但生長設備較復雜。已得到實際應用的晶體有如下兩種:①鉭酸鋰晶體。LiTaO3屬三方晶系,具有鈣鈦礦的ABO3晶格結構。其介電損耗低,Tc高,不易退極化。因此,LiTaO3在很寬溫度范圍內(nèi)優(yōu)值指數(shù)都較高,適合制作工作溫度范圍大的高穩(wěn)定性器件。②鈮酸鍶鋇晶體。鈮酸鍶鋇晶體是一種鎢青銅結構的晶體,與LiTaO3相比,電極化大,但介電常數(shù)也大,電壓響應優(yōu)值不高,適合做小面積或多元器件。摻人少量La2O3或Nd2O3可克服其退極化的問題。

熱釋電陶瓷與單晶體比較,制備容易,成本低。常用的有如下幾種:①鈦酸鉛陶瓷其居里溫度高,熱釋電系數(shù)隨溫度的變化很小,是一種較好的紅外探測器材料。②鋯鈦酸鉛陶瓷是用量很大的壓電陶瓷。陶瓷在室溫附近具有較大的熱釋電系數(shù)。③鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷的居里點高,在常溫下使用不退化,熱釋電性能良好。

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