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钛酸锶钡场致效应及热释电特性研究

张光祖  
【摘要】:作为一种典型的铁电材料,钛酸锶钡(BST)具有极强的非线性介电特性,其介电性能可随外加直流偏场变化(场致效应),被广泛用于压控滤波器、振荡器、微波移相器和场致热释电红外探测器中。为此,本文对BST材料的场致效应及其在非制冷红外探测器方面的应用进行了系统研究,为高性能非制冷红外焦平面阵列的研制奠定了基础。 对BST场致效应的掺杂理论进行了论述,分析了掺杂物化合价、离子半径等对BST晶格常数、电畴结构等微观特性和介电可调率、场致热释电系数等宏观电学性能的影响。由于陶瓷晶粒尺寸和气孔等微结构与材料场致效应关系密切,本文在Johnson理论中引入了修正因子α,用以描述微结构对有效电场分布的调控作用。理论研究指出:随着晶粒尺寸的减小,晶界比例上升,晶界对电场的散射作用使陶瓷晶粒上的有效电场下降,材料抗值减小,介电可调率降低;当陶瓷中存在气孔时,圆形气孔上分配的有效电场要大于不规则形状气孔,气孔为不规则形状的多孔陶瓷的α值较大,晶粒上有效电场较高,与圆形气孔多孔陶瓷相比,其介电可调率较大。 为了研究掺杂对材料场致效应的影响,进行了Mn受主掺杂实验。随着掺杂量的增大,BST的介电峰被压低、展宽,介电可调率减小,但介电损耗显著降低。当掺杂量为0.3 mol%时,室温下BST在400 V/mm直流电场下的介电可调率为20%,损耗降至0.2%,可调率优值FoM100,场致热释电系数为84x 102μC/m2℃,探测率优值为17.3×10-5Pa-0.5,随着Mn掺杂量的继续增大,材料介电损耗上升,可调率和探测率优值急剧下降。为进一步提高BST的场致热释电性能,中和过量受主掺杂对介电损耗造成的负面影响,在Mn掺杂基础上进行了Y、Mn施、受主共掺杂实验。随着Y、Mn掺杂量的增大,BST介电常数减小,介电峰展宽,当Y、Mn掺杂量分别为1.2 mol%和0.6 mol%时,BST的介电损耗低于0.2%,场致热释电系为85×102μC/m2℃,探测率优值较Mn单元素掺杂提高到19.0×10-5Pa-0.5。 为了研究晶粒尺寸对BST场致效应的影响,系统实验了二次烧结工艺,制备了晶粒尺寸在0.3μm至4μm的BST致密陶瓷,探讨了晶粒尺寸对BST掺杂元素分布、晶格常数、电畴结构等微观参数和介电可调率、场致热释电系数等宏观电学性能的影响。随着晶粒尺寸的减小,BST介电峰展宽,可调率下降,但介电损耗变化不大。晶粒的适当减小有助于BST场致热释电系数的提高,但若晶粒过小,晶粒间巨大的内应力使BST的晶格四方率急剧减小,铁电性下降,热释电性变差。实验显示BST的最佳晶粒尺寸为1μm,此时材料在500 V/mm直流偏场下的场致热释电系数为105×102μC/m2℃,探测率优值为22.0×10-4 Pa-0.5。 根据理论研究设计了多孔陶瓷的微结构,研究了多孔陶瓷制备工艺。用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为造孔剂制备了不同气孔率、气孔形状和孔径的多孔陶瓷,对理论进行了验证。实验证明晶粒尺寸大于1μm的致密陶瓷和气孔率小于14%、孔径大于10μm的陶瓷,其微结构因子α接近于1;对于气孔为非圆形的陶瓷,其α值大于1;而当气孔率大于22.3%时,BST的α值为0.9,说明改进后的理论使原有模型和实验结果之间的偏差缩小了约10%。 气孔可削弱晶粒间的内应力和电场对介电峰的压峰效应,减小材料的体积热容,这都有利于热释电性能的提高,因此本文提出并制备了BST多孔场致热释电陶瓷。当气孔率为9.6%,外加直流偏场为400 V/mm时,材料的场致热释电系数为80×102μC/m2℃,探测率优值为27.0×10-5 Pa-05,综合热释电性能优于致密陶瓷。为进一步加大气孔对陶瓷内应力和有效电场分布的调控作用,本文采用多壁碳纳米管作为造孔剂制备了微气孔BST多孔场致热释电陶瓷。气孔率为9.5%的微气孔陶瓷的场致热释电系数和探测率优值分别可达到95×102μc/m2℃和32.0×10-5Pa-0.5,较PMMA制备的多孔陶瓷具有更理想的场致热释电性能。 最后,通过陶瓷微加工工艺对BST多孔热释电陶瓷进行剪薄和切割,通过负胶光刻、金属蒸发和剥离工艺在陶瓷表面制备了银和镍铬合金电极,制作了红外信号探测元;针对BST的场致热释电效应,结合微电容检测原理,设计并搭建了红外探测器信号读出电路,使探测元实现了对黑体红外辐射信号的探测,这同时证明了本文制备的BST陶瓷和探测元性能良好。


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