新型热释电单晶材料及其在红外探测器中的应用

热敏电阻、温差电堆、高莱盒、热释电等热敏红外探测器能够在室温长波红外范围内工作。和光子型红外探测器相比较,热敏红外探测器具有低成本、低功耗、小型化等优势,在国民经济和国防建设的许多方面得到了广泛的应用。例如,室温工作的非接触式温度测量、火焰与气体探测、夜视与红外成像等各种热敏红外探测器。在各种热敏红外探测器中,热释电红外探测器具有低噪声、探测率高、响应速度快、使用温度范围宽的特点,受到人们的广泛关注。近年来,中国科学院上海硅酸盐研究所罗豪甦课题组利用Bridgman方法在国际上率先生长了以新型铌镁钛酸铅(PMNT)为代表的大尺寸、高质量弛豫铁电单晶,并首次发现其不仅具有高的热释电系数和探测优值,而且具有低的热扩散系数和介电损耗的特点。弛豫铁电单晶克服了传统热释电材料热释电系数、探测优值偏低,或容易潮解,或使用温度有限,或需要施加偏置电场等局限性,在此基础之上,该课题组成功制备了高性能热释电红外探测器,其探测性能达到国际领先水平

通过研究不同的电极尺寸效应对Mn掺杂PMNT单晶性能的影响规律,课题组发现了非对称电极下畴翻转的非定域特性;并通过新型的灵敏元结构设计和理论模型的建立实现了单晶热释电性能及探测优值的大幅提高,热释电系数增大了近2—5.5倍。为了进一步提高所研制红外探测器的性能,该课题组采用了新型的多壁碳纳米管作为吸收层材料,红外吸收率近99%。最终利用Mn掺杂PMN-0.28PT单晶制备了基于电压模式电路和电荷模式电路的高性能热释电探测器。电压模式探测器在调制频率10 Hz下的电压响应率和比探测率分别为23646 V/W、1.05×109 cmHz1/2/W (500 K, 10 Hz, 25 °C);电荷模式探测器在调制频率4 Hz下比探测率最优为3.01×109 cmHz1/2/W,10 Hz下的电压响应率和比探测率分别为115000 V/W、2.21×109 cmHz1/2/W (500 K, 10 Hz, 25 °C),达到了目前国际上商用LiTaO3探测器的4倍之高,这说明该类弛豫铁电单晶在提高热释电红外探测器探测极限方面具有巨大的潜力和优势,正成为新一代非制冷热释电红外探测材料;所研制的高性能红外探测器在有害气体检测的环境保护,火灾和消防等领域具有广泛的应用前景。