热释电材料

一种压电材料

热释电材料是一种压电材料，是不具有中心对称性的晶体。在产生热释电效应的大量晶体中，热释电系数最大的是铁电晶体材料，即铁电体，它与其他热释电材料的区别在于铁电晶体的自发极化能在外加电场作用下反转过来，且当温度达到居里温度时，极化立即消失，晶体发生从极化到非极化的相变。由于铁电晶体的热电系数远大于其他热释电材料，以致铁电体以外的其他热释电材料很少用来进行制作热释电探测器。在已知的热释电材料在一千种以上，但仅对其中10%的热释电特性进行了研究，研究发现真正能满足器件要求的不过十几种，它们都是铁电体，其中最主要的有TGS(硫酸三甘肽)、SBN(铌酸锶钡)、LT(钽酸锂)等。

热释电效应

极性晶体因温度变化而发生电极化改变的现象称为热释电效应。热释电效应的原因是晶体中存在着自发极化，温度变化时自发极化也发生变化，当温度发生变化时所引起的电偶极矩不能及时被补偿时，自发极化就能表现出来。晶体中温度发生了微小变化，则极化矢量P的改变可表达为热释电系数，这是热释电晶体的主要参数，晶体的热释电效应是矢量描述，一般有三个分量。

具有对称中心的晶体不可能具有热释电效应，而在20类压电晶体中，也只有某些有特殊极轴方向的晶体才具有热释电性质，故只有10种极性晶类才是热释电晶类。

铁电晶体

这类晶体同样具有P值高、性能稳定的特点，但与热释电晶体不同的是在外电场作用下其自发极化会改变方向。典型的有硫酸三甘肽(TGS)及其改性的材料。

(1)硫酸三甘肽(TGS)类晶体

硫酸三甘肽又称三甘氨酸硫酸盐，是一类最重要最常用的热释电材料。TGS是由甘氨酸和硫酸以3:1的摩尔比例配制成饱和水溶液，然后用降温生长单晶而获得，较容易得到大的优质单晶体。其结构属单斜晶系，居里点约为49℃。TGS是典型的二级相变铁电体，通常铁电体需极化才具有热释电性质。

TGS晶体的极化强度大，相对介电常数小，材料的电压响应优值也大，是一种重要的热释电探测器材料，而且方便器件的制作。但是易吸潮，机械强度差，存在退极化现象以及介电损耗较大等。采用密封封装可以避免材料受潮。为了进一步提高TGS的热释电性质，特别是提高其居里点，防止退极化，采用在重水中培养或掺人有益杂质的方法生长TGS晶体。

(2)金属酸化物晶体。金属酸化物晶体可在高温下用提拉法生长，获得高质量的单晶。这类晶体物化性质稳定，机械强度高，但生长设备较复杂。已得到实际应用的晶体有如下两种：

①钽酸锂晶体。LiTaO3属三方晶系，具有钙钛矿的ABO3晶格结构。其介电损耗低，Tc高，不易退极化。因此，LiTaO3在很宽温度范围内优值指数都较高，适合制作工作温度范围大的高稳定性器件。

②铌酸锶钡晶体。铌酸锶钡晶体是一种钨青铜结构的晶体，与LiTaO3相比，电极化大，但介电常数也大，电压响应优值不高，适合做小面积或多元器件。掺人少量La2O3或Nd2O3可克服其退极化的问题。

热释电陶瓷

热释电陶瓷与单晶体比较，制备容易，成本低。常用的有如下几种：

①钛酸铅陶瓷其居里温度高，热释电系数随温度的变化很小，是一种较好的红外探测器材料。

②锆钛酸铅陶瓷是用量很大的压电陶瓷。陶瓷在室温附近具有较大的热释电系数。

③锆钛酸铅镧(PLZT)陶瓷的居里点高，在常温下使用不退化，热释电性能良好。

热释电材料的应用

热释电材料的最重要应用是热释电传感器和红外成像焦平面。室温红外探测器与列阵的主要工作原理是：当热释电元件受到调制辐射加热后，晶片温度将发生微小变化，由此引起晶体极化状态的变化，从而使垂直于自发极化轴方向的晶体单位表面上的电荷发生改变。

利用热释电材料制作的单元热释电探测器在国内外均已形成相当规模的产业。这些室温红外探测器在防火、防盗、医疗、遥测以及军事等方面具有广泛的应用。热释电材料器件应用的最新发展是用于红外成像系统，即“夜视”装置，这种装置基于各种物体在黑暗的环境中随其温度的变化而发射具有不同强度和波长的红外线的原理，使红外摄像机能够接收到来自物体不同部位的不同强度和波长的红外线,从而产生不同强度的电信号,最后被还原成可视图像。

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