熱釋電材料

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(yīng)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(zhuǎn)過來，且當(dāng)溫度達(dá)到居里溫度時(shí)，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(yuǎn)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(jìn)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(jìn)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(yīng)。熱釋電效應(yīng)的原因是晶體中存在著自發(fā)極化，溫度變化時(shí)自發(fā)極化也發(fā)生變化，當(dāng)溫度發(fā)生變化時(shí)所引起的電偶極矩不能及時(shí)被補(bǔ)償時(shí)，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(dá)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(yīng)是矢量描述，一般有三個(gè)分量。具有對稱中心的晶體不可能具有熱釋電效應(yīng)，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(diǎn)，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(jié)構(gòu)屬單斜晶系，居里點(diǎn)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(qiáng)度大，相對介電常數(shù)小，材料的電壓響應(yīng)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(jī)械強(qiáng)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(jìn)一步提高TGS的熱釋電性質(zhì)，特別是提高其居里點(diǎn)，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(jī)械強(qiáng)度高，但生長設(shè)備較復(fù)雜。已得到實(shí)際應(yīng)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(jié)構(gòu)。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(jié)構(gòu)的晶體，與LiTaO3相比，電極化大，但介電常數(shù)也大，電壓響應(yīng)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(diǎn)高，在常溫下使用不退化，熱釋電性能良好。