热释电材料

溶胶- 凝胶法制备薄膜的过程
复合醇盐 的制备
利用溶胶-凝胶法制 备薄膜，首先必须 得到稳定的溶胶。 把各组分的醇盐或 其他金属有机物按 照所需材料的计量 比，在一种共同的 溶剂中进行反应， 使之成为一种复合 醇盐或者是均匀的 混合溶液。
水解反应 与聚Fra Baidu bibliotek反应
有时为了控制 成膜质量，可 在溶液中加 入少量水或催 化剂，使复合 醇水解，同时 进行聚合反应。
有机/无机复合薄膜：将有机材料和无机材料复合制成有机-无机复合热释电材料,如 PVDF*PT复合材料和PVDF*PZT复合材料,是解决这一问题的方法。这类材料通过调整 配比,可使制成的薄膜既具有较高的热释电系数,又具有很低的介电常数和介电损耗。
薄膜制备方法
常用的薄膜制备方法： a、溶胶-凝胶法(So-lGel)； b、金属有机化合物热分解(MOD) c、金属有机化合物气相沉积(MOCVD) d、溅射及脉冲激光沉积(PLD)法等。
热释电陶瓷材料
与热释电单晶材料相比, 铁电氧化物型热释电陶瓷具有一系列优点, 如易于制成大 面积的器件且成本低, 力学性能和化学性能好, 便于加工, 居里温度高, 所以在通常条 件下, 没有退极化问题. 此外, 在陶瓷中可以进行多种多样的掺杂和取代,可在相当大 的范围内调节其性能, 如热释电系数, 介电常数和介电损耗等, 从而进一步提高热释电 材料的性能. 初期研究的金属氧化物陶瓷热释电材料以各种掺杂改性的PbZrO3一PbTiO3(PZT) 二元系为主。具有很大的热释电系数,相对介电常数在200-500之间,且相变前后自发 极化方向不变,仅数值改变,介电常数的变化也不大,因此非常适合作热释电材料。但 缺点是其相变温度高于室温,且存在热滞,导致热释电响应的非线性。 热释电性能较高的铁电陶瓷,代表是PLZT 陶瓷, 它是用La 置换PbTiO3 - PbZrO3中 部分Pb 的固溶体,其组成为( Pb1- xLax ) ( Zr1- yTiy )O3, 它的居里温度高, 热释电系数也 很高, 且随La 的添加量增加, 热释电系数上升, 除了某些组成的铌酸锶钡外, PLZT 的 热释电系数比其它材料高, 但其介电系数和介电损耗也较大, 这对热释电电压灵敏不 利.
其中溶胶-凝胶法的优点：（1）制备薄膜的装置简单，成本低；（2）易于 有效控制薄膜的成分及结构；（3）能温和条件下制备出多种功能薄膜材料； （4）可以在各种不同形状、不同材料的基底上制备大面积薄膜。因此它是 目前使用较广泛的薄膜制备方法。
溶胶- 凝胶法制备薄膜的原理
溶胶-凝胶法制备薄膜通常是：先采用金属醇盐或其他盐类 溶解在醇、醚等有机溶剂中形成均匀的溶液，溶液通过水 解和缩聚反应形成溶胶，进一步的缩聚反应，溶胶转变形 成凝胶。再经过热处理，除去凝胶中的剩余有机物和水分， 最后形成所需要的薄膜。溶胶-凝胶法是一种经济、方便、 有效的薄膜制备方法。
很难找到一种能充分满足上述各项要求的材料。因此,研 制和发展了各种不同类型的热释电材料。
热释电材料
单晶材料 1.TGS(硫酸三甘肽) 2.LiTaO3(钽酸锂) 3.SBN(铌酸锶钡) 高分子有机聚合物 1.PVF(聚氟乙烯) 2.PVDF(聚偏二氟 乙烯) 金属氧化物陶瓷 1.钛酸铅（PbTiO3） 2.PST(钽钪酸铅) 3.PZT(锆钛酸铅) 4.BST(钛酸锶钡)
成膜
干燥
焙烧
通过聚合反应得到 的凝胶可能是晶态 的，但也可能含有 H2O、R-OH 剩余物 以及-OR、-OH 等基 团。充分干燥的凝 胶经热处理，去掉 这些剩余物及有机 基团，即可得到所 需要的具有较完整 晶形的薄 膜。
溶胶-凝胶法制 备薄膜方法有： 浸渍法，旋涂法， 喷涂法和 简单刷涂法等。 可根据基底材料 的尺寸与形状以 及对所制薄膜的 要求而选择不同 方法。
薄膜材料
薄膜型热释电红外探测器不仅具有分辨率高, 反应快, 能与微电子相集成等优 点, 而且能够抗氧化, 耐高温, 耐潮湿, 耐辐射等,因此是未来发展的趋势；但是 薄膜材料的选择和制备工艺受半导体集成电路工艺的限制。因此,研究高性能、 大尺寸、易加工的热释电薄膜材料的制备技术,是未来红外探测器用热释电材 料的发展的关键。
刚刚形成的膜中 含有大量的有机 溶剂和有机基团， 称为湿膜。随着 溶剂的挥发和反 应的进一步进行， 湿膜逐渐收缩变 干。
谢谢大家 ！
无机薄膜：PbTiO3(PT)系热释电薄膜是使用和研究最多的无机薄膜材料,它 主要包括PT及其掺杂改性材料PLT、PZT、PLZT、PYZT、PMZT和PCT等。 这类材料的特点是化学计量比简单,易于制备且具有优良的热释电性能。长期 以来,热释电材料研究除了注重新材料体系的开发之外,现有材料的掺杂改性是 一条非常重要的途径,适当的掺杂可以使材料的热释电性能得到提高。
有机薄膜：有机薄膜材料是近年来大力研究开发的一种新材料,它主要分为氟系有机 薄膜材料PVDF、PVDF共聚物及P(VDF/TrFE)等和氰系有机薄膜材料P(VDCN/VAC)两 类有机薄膜材料的主要优点是容易制备成任意大小和形状的薄膜,薄膜致密轻柔、热应 力小、无脆性,且工艺简单成本低。虽然热释电系数比无机薄膜材料低一个数量级,但由 于介电常数小,热导率低,因此器件的电压响应优值并不低,比较适合于制备薄膜热释电 器件。
高分子有机聚合物及复合材料
高分子有机聚合物材料(如PVDF),居里温度较高、介电常数小、价格便 宜、性能柔软,易制成任何形状、容易制成大面积的薄膜。PVDF薄膜的热 释电系数与晶体材料LINbO3的比较相近。但高分子有机聚合物材料强度 不够,不易与微电子技术兼容。 高分子有机聚合物复合材料采用两相复合,打破了传统的单晶、陶瓷形 式,品质因数较高,表现出优异的性能。它一般是将铁电陶瓷或单晶(如 PT(PbTiO3)、PLT、PZT(锆钛酸铅)、TGS等)超细颗粒加入到高分子有机 聚合物(如树脂、硅胶、PVDF)等)中均匀复合制成。研究表明,这样制备的 复合材料能兼具二者的优光电子器件技术点。而且通过改变掺入铁电陶瓷 或单晶超细颗粒的体积比可以改变复合材料的性能,提高其热释电优值和 探测优值。这种材料柔韧结实,可制成大面积器件,工艺简单,成本低。
热释电材料
• 汇报人：汤淑雯 • 汇报时间：2012.12.16
热释电探测器
热释电探测器是一种新型的热探测器,它利用材料的热释电效 应来探测红外辐射。 探测率高 光谱响应 宽 工作频率 宽 优 点 响应速度 快 不需偏压 功耗小 便携性好
热释电材料的性能指标
电流响应优值: 其中c'是热释电材料单位体积的热容, 常用热释电
单晶材料
最早的实用热释电材料是硫酸三甘肤(TGS)类晶体。TGS晶体具有热释电系数 大、介电常数小、光谱响应范围宽、响应灵敏度高和容易从水溶液中培育出高质 量的单晶等优点。但它的居里温度较低,易退极化,且能溶于水,易潮解,制成的器件 必须适当密封。通过掺杂剂可以改进它的热释电性能。近年来, 在该系列材料中 出现了两种优秀的改性材料, 即ATGSAs( 掺丙氨酸并以砷酸根取代部分硫酸根的 TGS) 和ATGSP( 掺丙氨酸并以磷酸根取代部分硫酸根的TGS) . 它们的热释电系数 增高, 介电常数降低, 介电损耗减小, 因此性能全面优于TGS. LiTaO3（钽酸锂）晶体材料介电损耗很小、居里温度高、性能稳定,是制作热释 电灵敏元的理想材料。但是,TGS类晶体和LiTaO3晶体介电常数都偏小,在小面积 探测器和非制冷红外焦平面阵列热像仪中将难于获得应用。 SBN(铌酸锶钡)单晶具有显著的热释电效应,加入少量的Pb或La、Nd（钕）等元 素能改善其热释电性能。由于SBN晶体介电常数大,不利于高频、大面积情况下使 用,但用于低频、小面积热释电红外探测器以及非制冷红外焦平面阵列热像仪却 是优良的材料。单晶材料探测灵敏度一般都较高,但制备工艺复杂,成本高。
材料的约为2.5×106
电压响应优值: 探测优值： 其中ε 为热释电材料的介电常数.
其中
为热释电材料的介电损耗因子.
在选择制作热释电红外探测器的材料时,要求具有较大的热释电 系数,较低的介电常数、介电损耗和体积热容。
尽管从理论上讲,用于热释电探测器敏感元的材料众多,但在选 择一种敏感元材料时要求考虑的因素很多。 选 择 敏 材 料 要 考 虑 的 因 素 工作环境的最高温度; 要求稳定工作的温度范围; 环境状况及条件; 敏感波长区; 被探测的功率水平; 探测器的尺寸; 工作频率; 材料的热电性能、机械加工性能、 成本等。