文档介绍：华中科技大学
博士学位论文
钛酸锶钡场致效应及热释电特性研究
姓名:张光祖
申请学位级别:博士
专业:微电子学与固体电子学
指导教师:姜胜林
2010-10-28
华中科技大学博士学位论文
摘要
作为一种典型的铁电材料,钛酸锶钡(BST)具有极强的非线性介电特性,其介
电性能可随外加直流偏场变化(场致效应),被广泛用于压控滤波器、振荡器、微波
移相器和场致热释电红外探测器中。为此,本文对 BST 材料的场致效应及其在非制
冷红外探测器方面的应用进行了系统研究,为高性能非制冷红外焦平面阵列的研制
奠定了基础。
对 BST 场致效应的掺杂理论进行了论述,分析了掺杂物化合价、离子半径等对
BST 晶格常数、电畴结构等微观特性和介电可调率、场致热释电系数等宏观电学性
能的影响。由于陶瓷晶粒尺寸和气孔等微结构与材料场致效应关系密切,本文在
Johnson 理论中引入了修正因子α,用以描述微结构对有效电场分布的调控作用。理
论研究指出:随着晶粒尺寸的减小,晶界比例上升,晶界对电场的散射作用使陶瓷
晶粒上的有效电场下降,材料α值减小,介电可调率降低;当陶瓷中存在气孔时,
圆形气孔上分配的有效电场要大于不规则形状气孔,气孔为不规则形状的多孔陶瓷
的α值较大,晶粒上有效电场较高,与圆形气孔多孔陶瓷相比,其介电可调率较大。
为了研究掺杂对材料场致效应的影响,进行了 Mn 受主掺杂实验。随着掺杂量
的增大,BST 的介电峰被压低、展宽,介电可调率减小,但介电损耗显著降低。当
掺杂量为 mol%时,室温下 BST 在 400 V/mm 直流电场下的介电可调率为 20%,
损耗降至 %,可调率优值 FoM>100,场致热释电系数为 84×102 µC/m2℃,探测
率优值为 ×10-5Pa-,随着 Mn 掺杂量的继续增大,材料介电损耗上升,可调率
和探测率优值急剧下降。为进一步提高 BST 的场致热释电性能,中和过量受主掺杂
对介电损耗造成的负面影响,在 Mn 掺杂基础上进行了 Y、Mn 施、受主共掺杂实验。
随着 Y、Mn 掺杂量的增大,BST 介电常数减小,介电峰展宽,当 Y、Mn 掺杂量分
别为 mol%和 mol%时,BST 的介电损耗低于 %,场致热释电系为 85×102
µC/m2℃,探测率优值较 Mn 单元素掺杂提高到 ×10-5 Pa-。
为了研究晶粒尺寸对 BST 场致效应的影响,系统实验了二次烧结工艺,制备了
晶粒尺寸在 μm 至 4 μm 的 BST 致密陶瓷,探讨了晶粒尺寸对 BST 掺杂元素分布、
I
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晶格常数、电畴结构等微观参数和介电可调率、场致热释电系数等宏观电学性能的
影响。随着晶粒尺寸的减小,BST 介电峰展宽,可调率下降,但介电损耗变化不大。
晶粒的适当减小有助于 BST 场致热释电系数的提高,但若晶粒过小,晶粒间巨大的
内应力使 BST 的晶格四方率急剧减小,铁电性下降,热释电性变差。实验显示 BST
的最佳晶粒尺寸为 1 μm,此时材料在 500 V/mm 直流偏场下的场致热释电系数为
105×102 µC/m2℃,探测率优值为 ×10-5 Pa-。
根据理论研究设计了多孔陶瓷的微结构,研究了多孔陶瓷制备工艺。用聚甲基
丙烯酸甲酯(PMMA)作为造孔剂制备了不同气孔率、气孔形状和孔径的多孔陶瓷,
对理论进行了验证。实验证明晶粒尺寸大于 1 μm 的致密陶瓷和气孔率小于 14%、孔
径大于 10 μm 的陶瓷,其微结构因子α接近于 1;对于气孔为非圆形的陶瓷,其α
值大于 1;而当气孔率大于 %时,BST 的α值为 ,说明改进后的理论使原有
模型和实验结果之间的偏差缩小了约 10%。
气孔可削弱晶粒间的内应力和电场对介电峰的压峰效应,减小材料的体积热容,
这都有利于热释电性能的提高,因此本文提出并制备了 BST 多孔场致热释电陶瓷。
当气孔率为 %,外加直流偏场为 400 V/mm 时,材料的场致热释电系数为 80×102
µC/m2℃,探测率优值为 ×10-5 Pa-,综合热释电性能优于致密陶瓷。为进一步
加大气孔对陶瓷内应力和有效电场分布的调控作用,本文采用多壁碳纳米管作为造
孔剂制备了微气孔 BST 多孔场致热释电陶瓷。气孔率为 %的微气孔陶瓷的场致热
释电系数和探测率优值分别可达到 95×102 μc/m2℃和 ×10-5 Pa-,较 PMMA 制备
的多孔陶瓷具有更理想的场致热释电性能。
最后,通