熱釋電材料

熱釋電材料是一種壓電材料，是不具有中心對稱性的晶體。在產生熱釋電效應的大量晶體中，熱釋電係數最大的是鐵電晶體材料，即鐵電體，它與其他熱釋電材料的區別在於鐵電晶體的自發極化能在外加電場作用下反轉過來，且當溫度達到居里溫度時，極化立即消失，晶體發生從極化到非極化的相變。由於鐵電晶體的熱電係數遠大於其他熱釋電材料，以致鐵電體以外的其他熱釋電材料很少用來進行製作熱釋電探測器。在已知的熱釋電材料在一千種以上，但僅對其中10%的熱釋電特性進行了研究，研究發現真正能滿足器件要求的不過十幾種，它們都是鐵電體，其中最主要的有TGS(硫酸三甘肽)、SBN(鈮酸鍶鋇)、LT(鉭酸鋰)等。

基本介紹

• 中文名：熱釋電材料
• 外文名：pyroelectric material 
• 結構：不具有中心對稱性的晶體
• 類型：一種壓電材料
• 最具代表性：鐵電晶體材料
• 套用：熱釋電感測器和紅外成像焦平面

熱釋電效應

極性晶體因溫度變化而發生電極化改變的現象成為熱釋電效應。熱釋電效應的原因是晶體中存在著自發極化，溫度變化時自發極化也發生變化，當溫度發生變化時所引起的電偶極矩不能及時被補償時，自發極化就能表現出來。晶體中溫度發生了微小變化，則極化矢量P的改變可表達為熱釋電係數，這是熱釋電晶體的主要參數，晶體的熱釋電效應是矢量描述，一般有三個分量。

具有對稱中心的晶體不可能具有熱釋電效應，而在20類壓電晶體中，也只有某些有特殊極軸方向的晶體才具有熱釋電性質，故只有10種極性晶類才是熱釋電晶類。

鐵電晶體

這類晶體同樣具有P值高、性能穩定的特點，但與熱釋電晶體不同的是在外電場作用下其自發極化會改變方向。典型的有硫酸三甘肽(TGS)及其改性的材料。

鐵電晶體

(1)硫酸三甘肽(TGS)類晶體

硫酸三甘肽又稱三甘氨酸硫酸鹽，是一類最重要最常用的熱釋電材料。TGS是由甘氨酸和硫酸以3:1的摩爾比例配製成飽和水溶液，然後用降溫生長單晶而獲得，較容易得到大的優質單晶體。其結構屬單斜晶系，居里點約為49℃。TGS是典型的二級相變鐵電體，通常鐵電體需極化才具有熱釋電性質。

TGS晶體的極化強度大，相對介電常數小，材料的電壓回響優值也大，是一種重要的熱釋電探測器材料，而且方便器件的製作。但是易吸潮，機械強度差，存在退極化現象以及介電損耗較大等。採用密封封裝可以避免材料受潮。為了進一步提高TGS的熱釋電性質，特別是提高其居里點，防止退極化，採用在重水中培養或摻人有益雜質的方法生長TGS晶體。

(2)金屬酸化物晶體。金屬酸化物晶體可在高溫下用提拉法生長，獲得高質量的單晶。這類晶體物化性質穩定，機械強度高，但生長設備較複雜。已得到實際套用的晶體有如下兩種：

①鉭酸鋰晶體。LiTaO₃屬三方晶系，具有鈣鈦礦的ABO₃晶格結構。其介電損耗低，T_c高，不易退極化。因此，LiTaO₃在很寬溫度範圍內優值指數都較高，適合製作工作溫度範圍大的高穩定性器件。

②鈮酸鍶鋇晶體。鈮酸鍶鋇晶體是一種鎢青銅結構的晶體，與LiTaO₃相比，電極化大，但介電常數也大，電壓回響優值不高，適合做小面積或多元器件。摻人少量La₂O₃或Nd₂O₃可克服其退極化的問題。

熱釋電陶瓷

熱釋電陶瓷與單晶體比較，製備容易，成本低。常用的有如下幾種：

①鈦酸鉛陶瓷其居里溫度高，熱釋電係數隨溫度的變化很小，是一種較好的紅外探測器材料。

②鋯鈦酸鉛陶瓷是用量很大的壓電陶瓷。陶瓷在室溫附近具有較大的熱釋電係數。

③鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)陶瓷的居里點高，在常溫下使用不退化，熱釋電性能良好。

熱釋電材料的套用

熱釋電材料的最重要套用是熱釋電感測器和紅外成像焦平面。室溫紅外探測器與列陣的主要工作原理是：當熱釋電元件受到調製輻射加熱後，晶片溫度將發生微小變化，由此引起晶體極化狀態的變化，從而使垂直於自發極化軸方向的晶體單位表面上的電荷發生改變。

利用熱釋電材料製作的單元熱釋電探測器在國內外均已形成相當規模的產業。這些室溫紅外探測器在防火、防盜、醫療、遙測以及軍事等方面具有廣泛的套用。熱釋電材料器件套用的最新發展是用於紅外成像系統，即“夜視”裝置，這種裝置基於各種物體在黑暗的環境中隨其溫度的變化而發射具有不同強度和波長的紅外線的原理，使紅外攝像機能夠接收到來自物體不同部位的不同強度和波長的紅外線,從而產生不同強度的電信號,最後被還原成可視圖像。