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介电模式工作的热释电陶瓷材料研究进展 王根水，姚春华，毛朝梁，陈学锋，陈莹，曹菲，董显林 中国科学院上海硅酸盐研究所信息功能材料与器件研究中心，200050 摘要： 本文综述了用于非致冷红外焦平面列阵的介电模式工作的热释电陶瓷材 料的研究现况。评价了介电模式工作的热释电陶瓷材料的基本特征，概述了具有 钙钛矿结构的典型介电模式热释电陶瓷材料（钛酸锶钡和钽钪酸铅）的物理性能， 组成设计以及红外探测应用等方面的研究进展。报道了介电模式红外探测用钛酸 锶钡热释电陶瓷研究方面的一些进展。提出我国在高性能介电模式热释电陶瓷材 料研究方面的一些发展方向。 一、 引言 红外焦平面阵列技术包括致冷型和非致冷型两种，致冷型以窄禁带半导体碲 镉汞材料为代表，而非致冷型包括热释电型和测微辐射热计两种主要类型，热释 电型非致冷红外焦平面技术由于具有室温工作，宽光谱相应等特点而成为红外焦 平面技术的重要研究方向。热释电材料是非致冷红外焦平面器件的关键敏感材料 之一。随着国防和民用方面需求的急剧增长，非致冷红外焦平面(UFPA)技术得 到迅速发展，并成为近几年红外焦平面技术发展的一个重要方向，非致冷红外焦 平面技术将引起红外技术的一场革命。美国的 Texas 仪器公司于 20 世纪 90 年代 初成功研制了非致冷焦平面列阵，并在美国军方得到实用，它的敏感元材料是钛 酸锶钡(BST)热释电陶瓷，采用混成式结构即热敏元和读出电路在两个片上，通 过对接连接在一起。而英国的 GEC －Maconi 公司利用钽钪酸铅(PST)陶瓷材料作 为敏感元研制出了非致冷红外焦平面阵列。非致冷红外焦平面热成像系统主要由 红外光学系统、电子学处理系统、红外窗口、探测器芯片等部分组成，它具有室 温工作、价格低及重量轻等主要优点。在热瞄具、战场侦察有哪些信誉好的足球投注网站、监视及夜间目 标识别、夜间导航和驾驶及精确制导武器等军用领域有着广泛的用途。从应用的 角度来讲，今后在低成本、近程的应用方面，将以非致冷热像仪为主，而致冷型 热像仪则主要用于对高性能、快速、远距离目标的探测及识别上。从技术发展的 角度来讲，非致冷热成像技术已成为红外技术发展的重要组成部分，非致冷红外 焦平面阵列器件是非致冷热像仪技术的核心技术[1] 。 UFPA 是非致冷红外焦平面热像仪的核心部件，而热释电敏感元材料是 UFPA 研制的基础，因此各国都非常重视敏感元材料的研究。迄今为止，国内外 学者曾经开发和选用过近百种热释电型探测材料，其中热释电型非致冷红外焦平 面列阵采用的铁电陶瓷材料主要有：掺铌钽酸钾 K(Ta-Nb)O (KTN)、钛酸铅(PT)、 3 锆钛酸铅(PZT)、PbZrO - Pb(NbFe)O -PbTiO (PZNFT) 、铌镁酸铅（PMN ）、PST 、 3 3 3 钛酸钡(BT)和 BST 等，其中 BST 和 PST 是目前的主流材料，也是未来极其重要 的发展方向。作为非致冷红外焦平面器件的关键敏感元材料，PST 、BST 陶瓷与 PZT 等传统热释电陶瓷相比，具有更大热释电系数和介电常数。这主要是因为工 作在居里温度附近，同时在直流电压下工作，可以降低介电损耗，可以提供更高 的探测率优值因子。因而在军用混成式非致冷焦平面技术的应用中具有明显的性 能优势。下面简述国内外在 BST 、PST 陶瓷方面的研究概况。 二、钛酸锶钡热释电陶瓷材料的研究进展 (一) 国际上的研究进展 美国 Texas 仪器公司较早开展了 BST 热释电陶瓷材料的研究。Bernard 等在 1992 年的铁电应用国际研讨会上报道了BST67/33 陶瓷在室温下具有非常高的热 释电探测率优值因子[2] 。该公司采用其研制的 BST 陶瓷制备的 UFPA 的等效噪 声温差（NETD ）低于0.08℃。随后，他们又利用施主和受主复合掺杂的技术控 制 BST 陶瓷的晶粒尺寸，研制出了更加实用的 BST 热释电陶瓷材料，热释电优 1/2 2 值（FoM=Pmax/(εtanδ) 超过 90nC/(cm .K)，采用合适元素掺杂甚至可以达到 1800 nC/(cm2 .K)[3] 。随后韩国Kang 等报道了 Ca 掺杂的 BST 陶瓷的热释电研究结果，