電光陶瓷是具有電光效應的陶瓷材料的總稱。常用的有鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)，鉿鈦酸鉛鑭(PLHT)等。
基本介紹
- 中文名：電光陶瓷
- 外文名：electro-optic ceramics
- 性質：陶瓷材料的總稱
- 類型：光-電感測器、光譜濾波器
- 套用：光閥和記憶元件等
- 學科：電子工程
概述,製備工藝,性能及套用,
概述
陶瓷材料具有良好的耐熱性能、高的硬度、優異的耐化學侵蝕能力以及各種有關的物理性能，令其在各個領域得到廣泛套用。一般的陶瓷材料並不具有透光性。1957 年 Coble R L 首次成功地製備了透明氧化鋁陶瓷。經過幾十年的發展，目前已經研製出幾十種透明陶瓷材料。透明陶瓷材料除了本身具有寬範圍的透光性外，而且還具有高熱導性、低電導率、低介電常數和介電損耗、高強度、高硬度、耐摩擦等一系列優異的綜合性能。由於透明陶瓷具有優異的性能，英、美、日等許多國家以及中國對透明陶瓷做了大量的研究工作，使其飛速發展起來。根據透明陶瓷的用途和功能可將其分為透明結構陶瓷和透明功能陶瓷。PLZT 透明光電陶瓷是透明功能陶瓷中的一種。自從 HaertlingG H 1970 年用球磨和熱壓燒結工藝製備了透明的電光陶瓷 PLZT以來，PLZT 透明電光陶瓷一直是光電材料研究的熱點。這裡從 PLZT 透明電光陶瓷的發展、製備、性能和套用等方面加以評述，較全面地對PLZT透明電光陶瓷進行介紹，為相關的研究提供參考。
製備工藝
透明陶瓷材料製備的基本工藝與普通陶瓷材料製備的基本工藝並沒有太大的區別，但是從具體的技術上看，二者有著明顯的不同，透明陶瓷材料製備對工藝上的要求要嚴格得多。由於陶瓷材料的透光性受其氣孔率、晶體結構、原料與添加劑、燒成氣氛和表面加工光潔度等因素的影響較大，在製備透明陶瓷時需要精準控制每一個工藝過程，以保證最終產品具有較高的緻密度和表面光潔度、均勻而細小的晶粒、對入射光很小的選擇吸收性、晶界處沒有雜質及玻璃相或晶界的光學性質與微晶體差別很小以及沒有光學各向異性，晶體結構以立方晶系最佳。
在製備PLZT陶瓷材料時，要經過稱量→球磨→乾燥→煅燒→二次球磨→篩分→壓製成型→燒結→後加工等過程。為了使陶瓷材料電學和光學性質滿足實際套用的要求，可以通過調整La摻雜量得到相應電光係數材料。在製備PLZT陶瓷材料粉體時，人們通常採用改良的固相反應法、溶膠-凝膠法、共沉澱法、水熱法等。在這些方法中，固相法需要較高的反應溫度和較長的反應時間，而且球磨混合難以達到化學的組成均一，因此固相反應難以製備出具有均相、高燒結活性的粉體。溶膠-凝膠法需要大量有機溶劑。水熱法則產量低。相對而言，共沉澱法存
在工藝簡單，設備廉價，一次性產量高等優點，因此，該方法最有希望實現工業化生產。但是，在共沉澱法中，不僅各種離子溶解度的差異會導致產物不再符合組元等化學計量，而且在共沉澱過程中，還會出現團聚體，這些影響因素都會造成產物品質下降。粉體成型可以採用各種方法，目前套用較多的是乾壓成型或等靜壓成型。製備 PLZT 陶瓷材料的燒結工藝主要有熱壓燒結、通氧熱壓燒結、氣氛燒結以及熱等靜壓燒結等。Haertling G H利用熱壓工藝首次製備了PLZT透明陶瓷。在燒結的時候，氣氛是影響其製備的重要因素。由於 PbO 氣體在高溫下是一種易揮發的氣體，所以通常使用 PbO 和 O2氣氛。Snow GS 在1973年首先利用氣氛燒結工藝，製備了透明PLZT電光陶瓷。樊慧慶研究了 PLZT 透明光電陶瓷的無壓燒結，在 PbZrO3氣氛保護、1200℃條件下燒結8h，實現了無壓常規燒結製備低成本、實用型透明的PLZT。
性能及套用
PLZT電光陶瓷是一種典型的透明鐵電陶瓷，這種材料具有較高的光透過率和電光效應，人工極化後還具有壓電、光學雙折射等特性。隨著其製備工藝的發展，拓寬了 PLZT 材料的套用範圍。PLZT 的電光效應是最具有套用意義的方面。透明PLZT陶瓷具有電光係數大、回響速度快、可得到大尺寸材料等優點，是一種很好的電光陶瓷材料。由於PLZT 組分的變化，其電光效應表現為多樣性，適當地選擇組分可滿足實際套用的需要。因其具有優異的電光效應，使之成為光通訊領域重要的候選材料之一。利用 PLZT 透明陶瓷的電光效應可以實現對入射光的相位、強度、偏振和方向的控制，也可通過電調節使入射的白光成有色光，成為電控濾色片；通過組分的調節，還可以用作為光存儲、光顯示、圖象處理等光電器件的關鍵部件。PLZT透明陶瓷在電場作用下呈現的光學行為，實質是由電疇在電場作用下的轉向引起的，而這類轉向可以在很小的範圍內單獨進行並不影響其周圍區域的狀態，因此PLZT的開關、衰減、濾色的作用可在很小範圍內單獨實現，具有高靈敏度、高解析度的優點。其主要套用領域有光閘、光濾波、顯示和空間光調製等。利用PLZT陶瓷的電控可變雙折射效應能製作二維 Si/PLZT混合集成空間光調製器，它由矽積體電路做成的光探測器和放大器以及PLZT光調製器組成，具有將矽集成計算效能與光互連通訊效能相結合的能力以及提高並行速度的特點；利用 PLZT的電控變雙折射特性，採用偏置應變技術，可以製成映像存儲器件、偏振應變PLZT編頁器等。
利用PLZT陶瓷的電控可變光散射效應，可以開發出一系列具有不同性能的光開關器件，如新型偏振無關光開關、寬譜嚴格無阻塞 PLZT空分矩陣光開光、全波段亞微秒級回響的單片PLZT門集成尾纖封裝關開關等。另一方面，PLZT 薄膜的製備，特別是非晶薄膜的成功製備，更加吸引了人們的興趣。因為非晶薄膜比晶體薄膜的生長要容易得多，這將大大降低成本；最重要的是這種非晶薄膜表現出鐵電性或者叫類鐵電性。鐵電薄膜具有許多優良的物理性質和效應，如鐵電開關特性、壓電效應、熱釋電效應、電光效應、聲光效應、光折變效應和非線性光學效應等。因此鐵電薄膜在微電子、光電子、集成光學和微機械學等領域有著重要的套用，如熱電感測器、鐵電記憶元件、電光開關以及電子元器件的微集成等。這些正是人們目前關注的熱點。
