鈦酸鍶鋇場(chǎng)致效應(yīng)及熱釋電特性研究.pdf

1、作為一種典型的鐵電材料，鈦酸鍶鋇（BST）具有極強(qiáng)的非線性介電特性，其介電性能可隨外加直流偏場(chǎng)變化（場(chǎng)致效應(yīng)），被廣泛用于壓控濾波器、振蕩器、微波移相器和場(chǎng)致熱釋電紅外探測(cè)器中。為此，本文對(duì)BST 材料的場(chǎng)致效應(yīng)及其在非制冷紅外探測(cè)器方面的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)研究，為高性能非制冷紅外焦平面陣列的研制奠定了基礎(chǔ)。
　　 對(duì)BST 場(chǎng)致效應(yīng)的摻雜理論進(jìn)行了論述，分析了摻雜物化合價(jià)、離子半徑等對(duì)BST 晶格常數(shù)、電疇結(jié)構(gòu)等微觀特性和介電可調(diào)

2、率、場(chǎng)致熱釋電系數(shù)等宏觀電學(xué)性能的影響。由于陶瓷晶粒尺寸和氣孔等微結(jié)構(gòu)與材料場(chǎng)致效應(yīng)關(guān)系密切，本文在Johnson 理論中引入了修正因子α，用以描述微結(jié)構(gòu)對(duì)有效電場(chǎng)分布的調(diào)控作用。理論研究指出：隨著晶粒尺寸的減小，晶界比例上升，晶界對(duì)電場(chǎng)的散射作用使陶瓷晶粒上的有效電場(chǎng)下降，材料α值減小，介電可調(diào)率降低；當(dāng)陶瓷中存在氣孔時(shí)，圓形氣孔上分配的有效電場(chǎng)要大于不規(guī)則形狀氣孔，氣孔為不規(guī)則形狀的多孔陶瓷的α值較大，晶粒上有效電場(chǎng)較高，與圓形氣孔

3、多孔陶瓷相比，其介電可調(diào)率較大。為了研究摻雜對(duì)材料場(chǎng)致效應(yīng)的影響，進(jìn)行了Mn 受主摻雜實(shí)驗(yàn)。隨著摻雜量的增大，BST的介電峰被壓低、展寬，介電可調(diào)率減小，但介電損耗顯著降低。當(dāng)摻雜量為0.3 mol％時(shí)，室溫下BST在400V/mm直流電場(chǎng)下的介電可調(diào)率為20％，損耗降至0.2％，可調(diào)率優(yōu)值FoM＞100，場(chǎng)致熱釋電系數(shù)為84×102 μC/m2℃，探測(cè)率優(yōu)值為17.3×10-5Pa-0.5，隨著Mn 摻雜量的繼續(xù)增大，材料介電損耗上升

4、，可調(diào)率和探測(cè)率優(yōu)值急劇下降。為進(jìn)一步提高BST的場(chǎng)致熱釋電性能，中和過量受主摻雜對(duì)介電損耗造成的負(fù)面影響，在Mn摻雜基礎(chǔ)上進(jìn)行了Y、Mn施、受主共摻雜實(shí)驗(yàn)。隨著Y、Mn摻雜量的增大，BST 介電常數(shù)減小，介電峰展寬，當(dāng)Y、Mn摻雜量分別為1.2 mol％和0.6 mol％時(shí)，BST的介電損耗低于0.2％，場(chǎng)致熱釋電系為85×102μC/m2℃，探測(cè)率優(yōu)值較Mn單元素?fù)诫s提高到19.0×10-5 Pa-0.5。
　　 為了研究晶

5、粒尺寸對(duì)BST 場(chǎng)致效應(yīng)的影響，系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)了二次燒結(jié)工藝，制備了晶粒尺寸在0.3 μm至4 μm的BST致密陶瓷，探討了晶粒尺寸對(duì)BST摻雜元素分布、晶格常數(shù)、電疇結(jié)構(gòu)等微觀參數(shù)和介電可調(diào)率、場(chǎng)致熱釋電系數(shù)等宏觀電學(xué)性能的影響。隨著晶粒尺寸的減小，BST 介電峰展寬，可調(diào)率下降，但介電損耗變化不大。晶粒的適當(dāng)減小有助于BST 場(chǎng)致熱釋電系數(shù)的提高，但若晶粒過小，晶粒間巨大的內(nèi)應(yīng)力使BST的晶格四方率急劇減小，鐵電性下降，熱釋電性變差。實(shí)驗(yàn)

6、顯示BST的最佳晶粒尺寸為1μm，此時(shí)材料在500V/mm 直流偏場(chǎng)下的場(chǎng)致熱釋電系數(shù)為105×102 μC/m2℃，探測(cè)率優(yōu)值為22.0×10-5 Pa-0.5。
　　 根據(jù)理論研究設(shè)計(jì)了多孔陶瓷的微結(jié)構(gòu)，研究了多孔陶瓷制備工藝。用聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）作為造孔劑制備了不同氣孔率、氣孔形狀和孔徑的多孔陶瓷，對(duì)理論進(jìn)行了驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)證明晶粒尺寸大于1μm的致密陶瓷和氣孔率小于14％、孔徑大于10μm的陶瓷，其微結(jié)構(gòu)因子α接近

7、于1；對(duì)于氣孔為非圓形的陶瓷，其α值大于1；而當(dāng)氣孔率大于22.3％時(shí)，BST的α值為0.9，說明改進(jìn)后的理論使原有模型和實(shí)驗(yàn)結(jié)果之間的偏差縮小了約10％。
　　 氣孔可削弱晶粒間的內(nèi)應(yīng)力和電場(chǎng)對(duì)介電峰的壓峰效應(yīng)，減小材料的體積熱容，這都有利于熱釋電性能的提高，因此本文提出并制備了BST 多孔場(chǎng)致熱釋電陶瓷。當(dāng)氣孔率為9.6％，外加直流偏場(chǎng)為400V/mm時(shí)，材料的場(chǎng)致熱釋電系數(shù)為80×102μC/m2℃，探測(cè)率優(yōu)值為27.0×

8、10-5 Pa-0.5，綜合熱釋電性能優(yōu)于致密陶瓷。為進(jìn)一步加大氣孔對(duì)陶瓷內(nèi)應(yīng)力和有效電場(chǎng)分布的調(diào)控作用，本文采用多壁碳納米管作為造孔劑制備了微氣孔BST 多孔場(chǎng)致熱釋電陶瓷。氣孔率為9.5％的微氣孔陶瓷的場(chǎng)致熱釋電系數(shù)和探測(cè)率優(yōu)值分別可達(dá)到95×102 μc/m2℃和32.0×10-5 Pa-0.5，較PMMA 制備的多孔陶瓷具有更理想的場(chǎng)致熱釋電性能。
　　 最后，通過陶瓷微加工工藝對(duì)BST 多孔熱釋電陶瓷進(jìn)行剪薄和切割，通