1、收 稿日期 ：2010-08-05； 修订日期 ：2010-09-25基金项目 ：国家自然科学基金重点项目 （60837003）作者简介 ：刘林华 (1986-)，男 ，博士生 ，主要从事热释电材料及其在红外探测器中的应用研究 。 Email:导师简介 ：罗豪甦 (1959-)，男 ，研究员 ，主要从事铁电材料及其相关器件的研究 。 Email:新 型热释电材料及其在红外探测器中的应用刘林华1，罗豪 甦1，吴 啸1，赵祥永1，方家熊2，李言瑾2，邵秀梅2，景为平3(1. 中国科学院上海硅酸盐研究所 无机功能材料与器件重点实验室 ，上海 200050；2. 中国科学院上海技术物理研究所 传感技术
2、联合国家重点实验室 ，上海 200083；3. 南通大学 江苏省专用集成电路设计重点实验室 ，江苏 南通 226019)摘 要 ： 以 (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3PMNT (1-x)/x为代表的大尺寸 、高质量弛豫铁电单晶具有非常高的热释电系数 、探测优值和较低的热扩散系数 ，其综合热释电性能远优于传统的热释电材料 。 概述了 PMNT (1-x)/x单晶 、掺锰 PMNT (74/26)单晶和 0.42Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.28PbTiO3PIMNT (42/30/28)单晶的介电性能 、铁电性能和热释电
3、性能 。 掺杂后 PMNT (74/26)单晶的介电损耗降低到 0.000 5，探测优值提高到 40.210-5Pa-1/2，是目前所有三方四方相变温度 (TRT)高于90 C 的本征热释电材料中最高的 。 高居里温度 PIMNT (42/30/28)单晶的 TRT达到 152 C，且具有较高的探测优值 (10.210-5Pa-1/2)，将在更宽温度范围内得到广泛的应用 。 制作了基于掺锰 PMNT (74/26)单晶的单元探头 ，其比探测率 D*达到 1.07109cmHz1/2W-1，是目前商用 LiTaO3探测器的两倍 ，器件性能满足实用要求 。关键词 ： 弛豫铁电单晶 ； 热释电 ；
4、红外探测器 ； Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3中图分类号 ： TN215 文献标志码 ： A 文章编号 ： 1007-2276(2011)05-0777-09Novel pyroelectric materials and their applications in highperformance infrared devicesLiu Linhua1, Luo Haosu1, Wu Xiao1, Zhao Xiangyong1, Fang Jiaxiong2, Li Yanjin2,Shao Xiumei2, Jing Weiping3（1. Key Laboratory o
5、f Inorganic Functional Material and Device, Shanghai Institute of Ceramics, Chinese Academy of Sciences,Shanghai 200050, China; 2. State Key Laboratory of Transducer Technology, Shanghai Institute of Technical Physics,Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. Jiangsu Provincial Key Lab
6、 of ASIC Design,Nantong University, Nantong 226019, China）Abstract: The large-size, high-quality relaxor-based ferroelectric single crystals represented by(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3) O3-xPbTiO3PMNT (1-x)/x perform very high pyroelectric coefficient, detectivity figuresof merit and relatively low thermal dif
7、fusivity, which makes its comprehensive pyroelectric properties farsuperior to the traditional pyroelectric materials. The dielectric, ferroelectric and pyroelectric properties ofthe PMNT (1-x)/x, Mn-doped PMNT (74/26) and 0.42Pb(In1/2Nb1/2)O3-0.3Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-0.28PbTiO3PIMNT(42/30/28) single cry
8、stals were overviewed. The dielectric loss of Mn-doped PMNT(74/26) crystals第 40 卷第 5 期 红外与激光工程 2011 年 5 月Vol.40 No.5 Infrared and Laser Engineering May 2011红 外与激光工程 第 40 卷0 引 言红外探测器是红外成像系统中的核心元件 。 根据探测机理的不同 ，红外探测器分为制冷的光子型探测器和非制冷的热型探测器两大类 。 热释电探测器是热型探测器的一种 ，是利用热释电效应工作的 ，从可见光至远红外波段都可以探测 ，在热探测领域中占有很重要的
9、地位 。 与制冷的光子探测阵列相比 ，虽然响应率和灵敏度低 ，但具有不需制冷 、可在室温下工作 、结构简单 、价格低廉和可靠性高等优点 ；与热敏电阻 、热电偶和热电堆等其他热型探测阵列相比 ，由于本身为一个大电容 ， 所以器件的噪声带宽和功耗都很小 ，并且有从十几赫兹的低频到上千赫兹的高频的宽频响应特性 ，甚至能够制成响应时间小于微秒的快速高性能热释电红外探测器阵列1。近年来 ，使用热释电性能优良的铁电材料来研制可在室温下工作的热释电非制冷红外焦平面阵列已成为热点2。 研究较多的热释电非制冷红外探测器材料主要有水溶性晶体硫酸三苷肽 （TGS）及其改性材料3-4、氧化物晶体钽酸锂 (LiTaO3
10、)5、铌酸锶钡 (SBN)6和陶瓷材料钛酸铅 (PbTiO3)7、锆钛酸铅镧 (PLZT)8以及铁电材料钛酸锶钡 (BST)9等 。 目前 ，国外 BST 铁电材料探测器已达到实用化程度 ， 已研制出 SBN 焦平面探测器和 192128 元的 PbTiO3焦平面探测器和热像仪的样机 ， 未来还将研制噪声等效温差优于 0.1 K的 328244 元热释电焦平面探测器10。近年来 ，中国科学院上海硅酸盐研究所突破了传统上只能用助熔剂方法生长弛豫铁电单晶的限制 ，在国际上首次使用改进的布里奇曼方法 (坩埚下降法 )生长出了以 (1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3PMNT(1-
11、x)/x，PMNT 单晶为代表的大尺寸 、 高质量弛豫铁电单晶(1-x)Pb(B1B2)O3-xPbTiO3(其 中 B1=Mg，Zn，In，Ni，Fe，Sc；B2=Nb，Ta，W；x 为 PbTiO3的摩尔分数 )， 引起了国际上许多同行的密切关注11。 最近研究发现 ，以 PMNT单晶为代表的弛豫铁电单晶是一族多功能的信息功能材料 ，不仅具有非常高的压电性能 、热释电系数 、探测优值 ，还具有比较低的热扩散系数 ，是综合性能优异的新型热释电材料 ，在提高红外焦平面列阵器件的性能方面具有非常诱人的应用前景12-16。2005 年 ， 笔者系统研究了在常温条件下 PMNT(1-x)/x单晶的热
12、释电性能随晶体组分的变化 ，并与传统的热释电材料进行了比较 ，结果示于表 117-18。 研究表明 ：PMNT(74/26)单晶具有优异的热释电性能 ，且其综合性能优于传统的热释电材料 。 2008 年 ， 采用PMNT(74/26)单晶制备出了红外探测器 ，比探测率和电 压 响 应 率 分 别 为 D*= 1.06108cmHz1/2W-1，Rv=211 V/W，器件性能基本满足使用要求 ，同时也表明 ：PMNT 单晶有望在高性能的红外探测及成像器件中得到实际应用19。为提高红外探测器的探测性能 ，需要进一步改善热释电非制冷红外探测器材料的性能 。 掺杂改性是提高材料性能的常用方法之一 。
13、根据钙钛矿结构的缺陷化学特性 ，掺杂引入的电荷会不平衡 ，可能产生多种电荷补偿机制 。 如 ，钙钛矿 ABO3型材料 ，低价离子 (4)取代 B4+，以氧空位作为电荷补偿体 。 B 位掺杂离子有Cu2+，Fe2+，Fe3+，Cd3+，Mn2+，Mn4+，Sb4+，W6+等 ，低价离子取代高价离子可以使晶体显示 “硬 ”的性能特征 ，即可以增大晶体的矫顽场 ，降低其介电常数和介电损耗20-23。另一方面 ，由于热释电材料的温度稳定性主要取决于靠近室温的相变温度 ，且目前应用于红外探测领域的 PMNT 单晶的三方四方相变温度较低 (TRT90)，was declined to 0.000 5, a
14、nd the detectivity figures of merit was enhanced to 40.210-5Pa-1/2, which wasthe highest value so far reported among intrinsic pyroelectric materials with TRThigher than 90 C. High-Curie -temperature PIMNT (42/30/28) crystals with TRTof 152 C, employed relatively high detectivityfigures of merit (10
15、.210-5Pa-1/2), would be widely used in a wider temperature range. The specificdetectivity of infrared detector based on Mn-doped PMNT (74/26) crystals was 1.07109cmHz1/2W-1, andapproximately doubled that of commercial LiTaO3crystals-based, which made it promising candidates forinfrared detectors app
16、lications.Key words: relaxor-based ferroelectric single crystals; pyroelectric; infrared detector;Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3; Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3778第 5 期为得到温度稳定性更好的材料 ，适应更高的温度使用范围 ，需要提高红外探测材料的三方四方相变温度24。2003 年以来 ， 大量的工作都致力于寻找高居里点 、性能优异的铁电材料 ，如 (1-x)Pb(Yb1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3PYNT100(1
17、-x)/100x，(1-x)BiScO3-xPbTiO3BSPT 100(1-x)/100x，(1-x)Pb(In1/2Nb1/2)O3-xPbTiO3PINT 100(1-x)/100x等25-27。 2008 年 ，余萍等报道了四方相xPb(In1/2Nb1/2)O3-yPb(Mg1/3Nb2/3)O3-(1-x-y)PbTiO3PIMNT100x/100y/100(1-x-y)单晶的热释电性能 ，其居里温度达到 250 C， 比四方相 PMNT 单晶的居里温度高 70 C28。文中以发现弛豫铁电单晶具有高性能热释电性能为契机 ，利用在制备以 PMNT 单晶为代表的弛豫铁电单晶的尺寸和质量
18、具有国际先进水平的优势 ，报道锰掺杂的 PMNT (74/26)单晶和 PIMNT (42/30/28)单晶的介电 、铁电 、热释电性能 ，为进一步研究超高密度集成探测器单元 ，为高性能 、高可靠性 、微型化 、非制冷室温红外焦平面技术打下坚实的基础 。1 晶体制备与实验以纯度高于 99.99%的 MnO2，PbO，MgO，Nb2O5和TiO2为原料 ，使用 PMNT 单晶为籽晶 ，采用改进的布里奇曼法 (坩埚下降法 )11生长了高质量的锰掺杂PMNT(74/26)单晶 ，尺寸达到 5570 mm，见图 1(a)。与 PMNT 单晶不同 ，锰掺杂后单晶为深色 ，切片后晶片成红褐色 。 在 PI
19、MNT(42/30/28)单晶的生长中 ，以PMNT 单晶为籽晶 ，按 PINT (72/28)的配比 ，采用了高纯度的原料 ， 同样使用了改进的布里奇曼方法 ，得到了高质量的 PIMNT(42/30/28)单晶 ，尺寸达到 5070 mm，见图 1(b)。 通过 X 射线衍射的方法确认得到表 1 常温下不同组分 PMNT (1-x)/x单晶的热释电性能与传统热释电单晶性能的比较Tab.1 Comparison of property parameters of PMNT (1-x)/x single crystals and other typical pyroelectricmateria
20、ls for pyroelectric devices at room temperatureMaterialTCTRTp rtan FiFvFdC C 10-4C/m2K 100 Hz 10-10m/V m2/C 10-5Pa-1/2PMNT(1-x)/x0.13 58 - 32.6 3107 0.0034 13.0 0.046 13.50.21 95 - 17.9 961 0.003 7.2 0.08 14.20.26 122 100 15.3 643 0.0028 6.1 0.11 15.30.30 140 92 14.7 714 0.0031 5.9 0.09 13.30.31 146
21、 89 12.0 1 136 0.004 4.8 0.05 7.60.34 158 75 10.6 790 0.005 4.2 0.06 7.20.35 162 12 9.8 1238 0.0054 3.9 0.04 5.10.37 173 -5 8.7 570 0.0041 3.5 0.07 7.60.40 191 -150 8.0 420 0.005 3.2 0.09 7.4LiTaO3620 - 1.76 43 0.0005 0.55 0.14 12.6TGS 49 - 3.5 33 0.005 1.4 0.42 11.6PZT 340 - 3.3 714 0.018 1.2 0.02
22、1.2刘林华等 ：新型热释电材料及其在红外探测器中的应用 779红 外与激光工程 第 40 卷的单晶为纯的钙钛矿结构 ，不存在焦绿石相 。 由于沿自发极化方向晶体的热释电性能最优 ，故对于三方相晶体 ，使用时均沿自发极化 111方向切割 。为便于后续的电学性能测试 ， 将样品加工成 4mm4mm0.6mm的方片 ，并采用氧化铝粉末对样品进行抛光 。 在样品的主面刷上银电极 ， 并在 700的马弗炉中烧结 30min。在 100附近加 10 kV/cm 电场对样品极化 15min，然后用 5 kV/cm 电场极化冷却直至室温 。图 1 采用改进的布里奇曼方法生长的锰掺杂 PMNT (74/26)
23、单晶(55 70 mm)与 PIMNT (42/30/28)单晶 (50 70 mm)Fig.1 Mn-doped PMNT (74/26)(55 70 mm) and PIMNT (42/30/28)(55 70 mm) single crystals grown by a modified Bridgmantechnique用动态法测量了晶体的热释电系数 ， 分 别 用HP4194A 阻抗分析仪 、TF1000 铁电分析仪 、激光导热性能测试仪 (LFA)测试了晶体的介电性能 、铁电性能和热扩散系数 。2 结果与讨论探测器材料的性能决定了红外探测器及焦平面列阵器件的质量 。 评价材料热释电
24、性能的优劣用 3 个优值来表示 ，探测优值是从探测器的电流 、电压响应率以及比探测率中提取的仅和材料性能有关的部分 。其中 ，电流响应优值为 Fi= p/Cv，电压响应优值为 Fv=p/(Cv0r)，当噪声主要是介电损耗噪声时 ，探测率优值为 Fd= p/Cv(0rtan)1/2。 其中 p、Cv、r、tan 分别为热释电系数 、定体积比热容 、相对介电常数和介电损耗 。 3个探测优值仅包含了描述热释电材料性能的参数 ，是为了获得工作于不同频率范围内的最佳性能的选材标准 ，概括了探测器对热释电材料的基本要求29。2.1 高探测优值锰掺杂 PMNT(74/26)单晶图 2(a)和 2(b)对比了
25、掺杂前后 111方向 PMNT(74/26) 单晶的介电常数和介电损耗随温度和频率的变化30。 在冷却过程中 ，锰掺杂 PMNT(74/26)单晶的介电常数在 120有一个峰值 (TC)，随后在 95出现了三方铁电相到四方铁电相的转变 (TRT)。 从图中可以看出 ，锰掺杂 PMNT(74/26)单晶的 TC和 TRT都稍低于未掺杂 PMNT(74/26)单晶 ，这在 PZN 和 PZNT 的锰掺杂中也有类似报道20, 31。 在 25时 ，锰掺杂后 PMNT 单晶的介电常数相对于未掺杂 PMNT 略有增加 ， 而其介电损耗远低于未掺杂样品 。 在 50Hz 时 ，锰掺杂 PMNT(74/26
26、)单晶的介电损耗为 0.0005，而到 10000Hz 时 ，其损耗增加到 0.0013，低于 PMNT 的 0.003，这对于提高器件的探测率有很大的优势 。 由图 2(b)也可以看出 ，锰掺杂 PMNT (74/26)单晶的介电常数和介电损耗随频率增加变化不大 。图 2 111取向 PMNT (74/26)和掺锰 PMNT (74/26)单晶在极化处理后的介电性能随温度和频率的变化关系24Fig.2 Dielectric characteristics vs temperature and frequency forpoled 111 oriented Mn-doped PMNT (74/
27、26) and purePMNT (74/26) crystals24图 3 为在 25和 10Hz 时 ，掺杂前后 PMNT(74/26)单晶的电滞回线30。 25时 ，掺锰 PMNT (74/26)单晶的剩余极化为 42C/cm2，矫顽场为 ：EC(+)=5.0kV/cm，EC(-)=-4.0 kV/cm，电滞回线的偏移量为 0.5 kV/cm，表明锰离子掺杂在晶体内部形成的缺陷偶极增加了晶体的内偏场32。 纯 PMNT (74/26)单晶在此温度下的剩余极化和矫顽场分别为 35 C/cm2和 2.6 kV/cm，掺杂后的单晶均有所增加 ，表明了缺陷偶极对畴的钉扎780第 5 期2.2 高
28、居里温度 PIMNT(42/30/28)单晶图 5(a)给出了不同频率下 ，111方向 PIMNT (42/30/28)单晶介电性能随温度的变化 ，并与 PMNT (71/29)单晶的结果进行对比33。 图 (a)为 1 kHz 、10 kHz、100 kHz下 ，r和 tan 与温度的关系 ，图 (b)为室温下 r和 tan与频率的关系13。在零场升温测试的情况下 ，可以得到三方四方相变温度达到 152 ，而居里温度也达到了 187 ，都 比 PMNT (71/29)单晶相应的温度高出了 50 ，这都提高了器件的温度稳定性 ，扩大探测器的应用范围 。 介电常数随温度的关系呈现出明显的频率色散
29、 。 在器件制作过程中 ，晶片的温度很容易就上升到很高的温度 。 而 PIMNT 单晶所处的环境温度低于 120时 ，材料将不会出现退极化 。 另外 ，也用介电常数温度系数 r/T 来表征在特定温度范围内介电常数随温度的变化 。 在 2060 之 间 ，PIMNT(42/30/28)单晶的介电常数从 690 增加到 881。 因此 ，介电常数的温度系数约为 +4.77/， 这比 PMNT(71/29)单晶的 +18.50/要低很多 。由于绝大多数的热释电探测器工作在较低的频 率 波 段 ， 而介电常数和介电损耗都是与频率相关的 。 因此 ，在图 5(b)中 ，给出了 25条件下 ，PIMNT(
30、42/30/28)和 PMNT (71/29)单晶从 50 Hz 到 10 kHz介作用有利于增加其沿自发极化方向的偏转 ，形成较图 3 25 和 10 Hz 下 ，111取向 PMNT (74/26)和掺锰PMNT (74/26)单晶的电滞回线Fig.3 P-E hysteresis loops of 111 oriented Mn-doped PMNT (74/26)crystals compared with pure PMNT(74/26) at 25 and 10 Hz大的宏畴结构 ，从而增大了其剩余极化量 。 矫顽场的增加使晶体 “硬 ”化 ，更有利于畴结构的保持 。图 4 给出了
31、锰掺杂 PMNT (74/26)单晶的热释电系数随温度 (2060)的变化情况30。 在 25时 ，掺杂后的PMNT(74/26)单晶的热释电系数达到了 17.210-4C/(m2K)，高于传统的热释电 材料 PZT(3.310-4C/(m2K) 和LiTaO3(1.7610-4C/(m2K)18。 随着温度增加到 60，掺杂后 PMNT(74/26)单晶的热释电系数提高到 25.910-4C/(m2K)。 表 2 总结了在 25时 ，掺杂前后 PMNT(74/26) 单晶与其他几种典型的热释电材料热释电相关性能的比较24, 30。 锰掺杂后 PMNT(74/26)单晶的比探测率优值由掺杂前的
32、 15.310-5Pa-1/2提高到 40.2 10-5Pa-1/2， 是目前报道的三方四方相变温度超过 90的本征热释电材料中的最高值 。图 4 掺锰 PMNT (74/26)单晶热释电系数随温度的变化Fig.4 Temperature dependence of pyroelectric coefficient for Mn-doped PMNT (74/26) single crystals表 2 25C 时掺杂前后 PMNT (74/26)单晶热释电性能对比Tab.2 Pyroelectric properties of 111 oriented Mn-doped PMNT (74/2
33、6) crystals compared withPMNT (74/26) at 25CMaterialTCTRTCvp rtan FiFvFdC C 106J/m3K 10-4C/m2K 100 Hz 10-10m/V m2/C 10-5Pa-1/2PMNT (74/26) 122 100 2.5 15.3 643 0.002 8 6.1 0.11 15.3Mn-dopedPMNT (74/26)120 95 2.5 17.2 660 0.000 5 6.88 0.12 40.2刘林华等 ：新型热释电材料及其在红外探测器中的应用 781红 外与激光工程 第 40 卷图 5 111取向 PIM
34、NT (42/30/28)和 PMNT (71/29)单晶在极化处理后的介电性能Fig.5 Dielectric characteristics of poled 111 oriented PIMNT(42/30/28) and PMNT (71/29) crystals电性能随频率的变化情形 33。 在 25 、50 Hz 时 ，PIMNT(42/30/28) 单 晶 的 介 电 常 数 为 702，相 比 于PMNT(71/29)略有增加 ，而其介电损耗 0.2%远低于PMNT(71/29)单晶 。 这对于提高器件的探测率有很大的优势 。 由图 5(b)也可以看出 ，PIMNT (42/3
35、0/28)单晶的介电常数和介电损耗随频率的增加变化不大 。从 111方向 PIMNT (42/30/28)单晶的电滞回线中(见图 6)可以看到 ：室温条件下 ，剩余极化和矫顽场分别为 54 C/cm2和 7.5 kV/cm。 而 PMNT 在室温条件下的剩余极化和矫顽场分别为 36 C/cm2和 2.8 kV/cm。图 6 25 和 10Hz 下 ，111取向 PIMNT (42/30/28)和 PMNT(71/29)单晶的电滞回线Fig.6 P-E hysteresis loops of 111 oriented PIMNT (42/30/28)crystals compared with
36、PMNT (71/29) at 25C and 10Hz相比于 PMNT 单晶 ，PIMNT 单晶的 矫顽场和剩余极化都提高了很多 。一方面 ，对于四方相的单晶来说 ，大的矫顽场使单晶在极化时 ，电畴不容易翻转而需要加较大的场强 ，单晶容易被击穿 ，这增加了晶体极化的难度 。但是 ，另一方面 ，大的矫顽场可以避免在使用时因所加电场而造成材料的退极化问题 。图 7 为三方相 PIMNT 单晶的热释电系数随着温度的变化33。111方向的热释电系数在室温下达到了910-4C/m2K， 这对于高居里温度的热释电材料来说 ，是一个很大的优势 。在铁电相变温度之前 ，弛豫铁电单晶的热释电系数随温度的升高而
37、增加 。 所以 ，当热释电单晶所处环境的温度发生波动时 ，材料的热释电参数将会发生变化 。 为了更好地对比 ，将在特定的温度范围内的热释电系数随温度变化的波动定义为热释电系数温度因子 (TC)：p/T。 由图 4 可以计算得到 ：TC(PIMNT 42/30/28)=+0.0610-4C/(m2K)和TC(PMNT 71/29)=+0.1310-4C/(m2K)，温度范围为 2055C。图 7 111取向 PIMNT (42/30/28)单晶热释电系数随温度的变化Fig.7 Pyroelectric coefficient as a function of temperature for 11
38、1-oriented PIMNT (42/30/28) single crystals表 3 列出了 PIMNT (42/30/28) 单晶 ，PMNT (71/29) 单晶和几种典型的热释电材料在常温下的热释电性能 、优值因子的比较13, 28, 33。 PIMNT (42/30/28)单晶具有相对较高的比探测率优值和相变温度 ，除此之外 ，介电常数 、热扩散系数的大小对红外探测器的探测性能也有很大的影响 。 对于灵敏元较小且使用电压模式放大器的探测器 ，较大的介电常数更有利于探测单元与放大器的电容匹配 。 与 LiTaO3单晶相比 ，弛豫铁电单晶具有较低的热扩散系数 ，这有助于提高探测器件
39、的温度分辨率 。782第 5 期2.3 器件制作与相关单位合作 ， 开展了 PMNT 单晶在制备红外探测器件方面的研究工作 。 在 PMNT 单晶热释电探头的研制过程中 ，解决了探头制备过程中的晶体加工 、电极制备等工艺问题 ，设计并制备出了基于掺锰PMNT (74/26)单晶的单元探头 ，如图 8 所示34。 结果图 8 基于锰掺杂 PMNT (74/26)单晶的单元探头及其电路图Fig.8 Mn-doped PMNT based pyroelectric detector and itscircuit diagram表明 ：红外探测器的电压响应率 Rv(500 K，12.5 Hz，25)达
40、到 14 540 V/W，而比探测率 D*(500 K，12.5Hz，25 )达到 1.07109cmHz1/2W-1，是目前商用 LiTaO3探测器的两倍 ，器件性能满足实用要求 。 但是 ，器件结构还没有充分发挥单晶的热释电性能的优势 ，器件性能仍可提高 。 目前 ，笔者正在根据材料的性能特点 ，探索适合材料的器件结构和制备工艺 ，充分发挥单晶的热释电性能 ，优化器件的性能 ，使其能在高性能探测器及成像器件中得到应用 。3 结 论PMNT 单晶具有优异的热释电性能 ，综合性能远远优于传统的热释电材料 。 在此基础上 ，研究了掺锰PMNT (74/26) 单 晶 和 PIMNT (42/30
41、/28) 单 晶 的 介电 、铁电 、热释电性能 。 掺杂后 ，PMNT (74/26)单晶的损耗降低到 0.0005， 远小于纯 PMNT 单晶的 0.0028。同时 ，掺杂后 PMNT (74/26)单晶的热释电系数也有所提高 ， 从而将材料的探测优值提高到 40.210-5Pa-1/2，这是目前所有三方四方相变温度高于 90 的本征热释电材料中最高的 。 PIMNT (42/30/28)单晶三方四方相变温度达到 152 ， 且具有较高的热释电系数 (910-4C/m2K)和探测优值 (10.210-5Pa-1/2)，将在较高温度环境下得到广泛的应用 。 与相关单位合作制备了基于掺锰 PM
42、NT (74/26) 单晶的单元探头 ，红外探测器的电压响应率 Rv达到 14 540 V/W，而比探测率 D*达到 1.07109cmHz1/2W-1，是目前商用 LiTaO3探测器的两倍 ，器件性能满足实用要求 。参考文献 ：1 Wang Yiyu, Ye Wen, Wang Bin. Infrared Detectors M.Beijing: Weapon Industry Press, 2005: 111-112.(in Chinese)王义玉 ，叶文 ，王彬 . 红外探测器 M. 北京 ：兵器 工业出 版社 , 2005: 111-112.2 Whatmore R W, Watton
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45、ctric properties of 111-oriented PIMNT (42/30/28) crystals, PMNT (71/29) crystals, and001-oriented PIMNT (41/17/42) crystals at room temperatureMaterialTCTRTCvp rtan FiFvFdC C 106J/m3K 10-4C/m2K 50 Hz 10-10m/V m2/C 10-5Pa-1/2PMNT (71/29) 135 103 2.44 12.8 515 0.006 3 5.25 0.11 9.8PIMNT (42/30/28)PIM
46、NT (41/17/42)187253152-2.52.59.05.77024870.0020.0033.602.280.060.0510.26.3刘林华等 ：新型热释电材料及其在红外探测器中的应用 783红 外与激光工程 第 40 卷properties of LiTaO3single -crystal to microcalorimetricmeasurement of the heat of adsorption J. Appl Surf Sci, 1994,74(1): 51-59.6 Santos I A, Garcia D, Eiras J A. Pyroelectric prop
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