BNT基无铅热释电陶瓷缺陷调控及其红外探测器性能研究.pdfVIP

BNT基无铅热释电陶瓷缺陷调控及其红外探测

器性能研究

摘要

基于热释电效应的非制冷红外探测器因具有无需制冷、光谱响应宽、响应速度快、

寿命长、抗干扰性能好以及成本低等优点，在军事、医疗、工业检测、安防报警以及气

体检测等领域应用广泛。为制造满足实际应用需求的非制冷红外探测器，须制备满足性

能要求的热释电敏感元和搭配与之匹配的后端电路。其中，热释电敏感元是非制冷红外

探测器的核心部分，也是决定器件性能的关键。然而市面上常见的热释电敏感元是锆钛

酸铅(PZT)基的热释电陶瓷，PZT陶瓷中的铅导致土壤质量下降，破坏生态系统的稳定

性；同时对人体中枢神经、肾脏、肝脏、心血管等系统造成损害。因此，研究热释电性

能与铅基材料相近的无铅热释电敏感元具有非常重要意义。BiNaTiO(BNT)基无铅

0.50.53

热释电陶瓷具有丰富的相结构和较高的自发极化，是一种最具潜力的可与铅基材料相媲

美的无铅热释电敏感元件；而现阶段BNT基陶瓷的热释电系数较低，无法满足实际运

用的需求。

针对以上问题，本论文以BNT基无铅热释电陶瓷及其制备的非制冷红外探测器为

研究对象，系统研究了BNT基陶瓷材料的物相组成、微观结构及缺陷行为对其热释电

性能的影响；同时结合实际运用，设计制备出符合实际应用性能需求的无铅热释电探测

器。具体研究内容如下：

(1)以0.99BiNaTiO-0.01BaTiO(BNT-1BT)为研究对象，通过适当调整Bi/Na的

0.50.533

比例调控材料中缺陷离子的行为，使其退极化温度没有太大变化的同时有效提高材料的

热释电性能。实验表明：Bi/Na比的调整并没有改变其原本稳定的三方相结构，XRD、

拉曼、XPS和精修数据都表明所有样品处于稳定的R3c结构，缺陷离子的引入让A位

离子变得活跃。通过电学性能测试可以看出，缺陷离子引入可以提高样品电导率和剩余

-6-1

极化强度，其中，0.99BiNaTiO-0.01BaTiO陶瓷电导率为2.19×10Sm，剩余极

0.490.5533

化强度为53.35μCcm-2，同时，充分极化过后0.99BiNaTiO-0.01BaTiO陶瓷表现

0.490.5533

−4-2-1

出高室温热释电性能17.1×10CmK和高退极化温度212℃，并且具有良好的热释

电红外探测率优值(FOMs)，其中电流探测率优值F=6.236×10-10mV-1，电压探测率优值

i

2-1-1/2−5−2−1

F=0.181mC，探测率优值F=95.64μPa，电容探测率优值F=9.51×10CmK。

vdc

(2)热释电红外探测器由敏感元、PCB电路板、铁氧体、底座和封帽组成，采用性

能最佳的0.99BiNaTiO-0.01BaTiO陶瓷作为敏感元，采用导热系数低的铁氧体材