PZT基陶瓷的热释电效应与性能研究
锆钛酸铅(PZT)系列陶瓷在富锆区域存在丰富的相变行为,具有优异的热释电性能,是制备非制冷型红外焦平面阵列的主流材料之一。向高灵敏度、宽工作温区方向发展的热释电红外探测器对PZT系列陶瓷提出了新要求:在靠近室温的较宽温度范围内,热释电系数高且稳定、介电常数与损耗低、探测率优值大。 富锆型 PZT系列陶瓷因 FRL-FRH相变时产生很高的热释电系数而引起研究人员的广泛关注。本文首先通过锆钛比的调整,观测 PZT基陶瓷的FRL-FRH相变特性。结果发现:锆钛比为95/5和93.5/6.5时,PZT基陶瓷分别在26℃和40℃左右出现很高的热释电系数峰值(分别达到9.7×10-8C/cm2℃和7.8×10-8C/cm2℃);锆钛比为90/10和87.5/12.5时,热释电系数变化曲线平坦稳定(3.5×10-8C/cm2℃到4.5×10-8C/cm2℃之间),介电常数与损耗较低。在上述研究基础上,为满足红外探测器高灵敏度、宽工作温区的要求,分别进行了以下两方面的研究: 一方面对锆钛比为90/10的PZT基陶瓷掺杂改性,试图在原温区范围内整体提高其热释电系数。结果表明一定量钾掺杂量后,热释电系数整体有所提升,介电常数与损耗减小,探测率优值因而也增大。K2CO3掺杂量为0.5At％时探测率优值达到最大(5.4×10-5Pa-1/2和6.3×10-5Pa-1/2之间)。适量的锰、锑共掺杂使PZT基陶瓷铁电三方相特征增强,铁电性能大幅提升,热释电系数显著增大。但锰、锑掺杂比例不合理或者过量则可能会导致介电性能的恶化,探测率优值也受到影响。当MnO2掺杂量为1.5At％,Sb2O3掺杂量为0.5At％时,热释电系数(平均6×10-8C/cm2℃左右)和探测率优值(6.3×10-5Pa-1/2左右)均达到最大。 另一方面,选择锆钛比为95/5和93.5/6.5的PZT基陶瓷进行FRL-FRH相变复合研究,试图拓宽FRL-FRH相变温区,使热释电系数在更宽的温区范围内很高。结果表明适当的复合烧结,可以实现多组份共存状态,达到“复合”效果。选取热处理温度为1100℃,质量比为1:1的复合烧结,成功拓宽了FRL-FRH相变温区,样品在19℃到43℃范围内热释电系数大于6.3×10-8C/cm2℃,探测率优值大于7.7×10-5Pa-1/2,同时介电性能和铁电性能也得到了优化。
非制冷型红外探测器;锆钛酸铅基陶瓷;热释电效应;性能优化;复合烧结技术;工艺参数
华中科技大学
硕士
微电子学与固体电子学
曾亦可
2011
中文
TN215;TN204
55
2012-12-25（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）