Применение пироэлектриков

Значительный пироэффект в сегнетоэлектриках используется для создания тепловых датчиков и приемников лучистой энергии, предназначенных, в частности, для регистра­ции инфракрасного и СВЧ-излучения. Пироэлектрические материалы находят широкое применение в качестве сенсорных устройств различного назначения, детекторов и приемников излучений, датчиков теплометрических приборов. Используется главным образом их основное свойство — любой вид радиации, попадающий на пироэлектрический образец, вызывает изменение его температуры и соответствующее изменение поляризации. На рис. 5 изображен пироэлектрический детектор излучений основанный на этом принципе.

Рис. 2.8. Пироэлектрический датчик

Если поверхности S покрыты проводящими электродами и эти электроды соединены проводником, по нему будет протекать ток

где g - пироэлектрический коэффициент.

Для плоскопараллельного образца с поверхностью S инаправлением спонтанной поляризации, перпендикулярным этой поверхности (рис. 2.8), нагревание на малую величину dT приведет к изменению связанного заряда на поверхности на d.q

Принцип действия пироэлект­рических фотоприемников очень прост; лучистая энергия, попадая на зачерненную (поглощающую) по­верхность сегнетоэлектрического крис­талла, нагревает его. В резуль­тате нагревания изменяется спонтан­ная поляризованность кристалла и возникает импульс тока, который регистрируется элек­тронной схемой.

Специфическим свой­ством таких тепловых фотоприемни­ков является отсутствие избиратель­ности по спектру излучения. Сущест­венное преимущество их состоит в том, что они не требуют охлаждения при детектировании излучения даже в далекой ИК-области спектра. Наряду с этим они обладают достаточно высоким быстродействием (способны ра­ботать в частотном интервале до 10 МГц), однако по чувстви­тельности уступают полупроводниковым фотоприемникам.

Пиролитический детектор излучения с чувствительным элементом на основе тонкой пленки PZT на кремниевом субстрате позволяет контролировать все основные типы дифференциального позиционно-чувствительного фотоэлектрического детектора излучения. Посредством сочетания комбинаций чувствительных элементов можно реализовать различные однокоординатные варианты подобных детекторов.

Повышенной чувствительностью на высоких частотах характери­зуются кристаллы LiNbO₃ и LiТаО₃, отличающиеся стабильностью пироэлектрических свойств. Благодаря высокой температуре Кюри они не требуют специальных приемов закрепления монодоменизированного состояния и могут устойчиво работать до температур порядка 500°С. В пленках (1-x)NaNbO₃- xLiNbO₃ антисегнетоэлектрическая фаза стабильна при х < 0,015, а сегнетоэлектрическая – при х > 0,0225. В системе с KNbO₃ сегнетоэлектрическая фаза стабильна при х ≥ 0,0175, а антисегнетоэлектрический переход при х < 0,01. В системе с PbTiO₃ область перехода лежит в интервале х = 0,07 – 0,11. По данным нелинейно-оптического анализа величина спонтанной поляризации нецентросимметричной фазы высокого давления LaNbO₄ составляет около 2 мкКл/см² .

Для изготовления фото­приемников можно использовать все виды пьезокерамики, однако наи­более подходящим материалом для этих целей является керамика ЦТСЛ. Введение добавки окиси лантана позволяет приблизить тем­пературу Кюри к комнатной и получить более высокие значения пиро­электрических коэффициентов.

Пленки PbTiO₃, LiNbO₃, LiTaO₃, KNbO₃, KТaO₃, Bi₄Ti₃O₁₂ используются в пироэлектрических детекторах. Титанат свинца является пироэлектриком, который используют в качестве светочувствительного элемента для ИК-датчиков изображения.

Kерамические материалы на основе твердых растворов: РbTiO₃-PbZrO₃-PbNb_2/3Zn_1/3O₃-PbSb_2/3Mn_1/3O₃-PbW_1/2Mg_1/2O₃ (система I) и РbTiO₃-PbZrO₃-PbNb_2/3Zn_1/3O₃-PbSb_2/3Mn_1/3O₃-PbNb_2/3Mn_1/3O₃ (система II) характеризуются высоким показателем качества, что делает их перспективными для использования в качестве пироэлектрических детекторов. Пироэлек­трический коэффициент для составов, лежащих на морфотропной грани­це, для систем I и II соответственно составили 4·10^-4 Кл м^-2/К и 5·10^-4 Кл м^-2/К. Новая пироэлектрическая керамика была изготовлена горячим изостатическим прессованием из смеси двух порошков со структурой перов­скита на основе PbZrО₃, Pb(Mn_1/3Nb_2/3)_0.1Zr_0,9O₃ + 0,5 мас. % МnО₂ + 0,5 мас. % Cr₂O₃ и (Pb(Mn_1/3Nb_2/3)_0.1Zr_0,875Ti_0,025O₃ + 0,5 мас. % МnО₂ + 0,5 мас. % Cr₂O₃. Пироэлектрический коэффициент керамики, равный 9,4·10^-4 Кл м^{-2 о}С^-1 в интервале температур 15-70 °С мало за­висел от температуры. Установлено образование поверхностного слоя толщиной несколько сотен нм на зернах, имеющего композиционный гради­ент.

Сегнетоэлектрическая керамика Pb_1+z{[(Mg_1/3Nb_2/3)_y(Zr_1-xTi_x)_1-y]_1-zA_z}O₃, где 0<z>0,05, 0<х>0,4, 0<у>0,4. 0<z>0,5, A - замещающий в октаэдрической позиции многовалентный катион (в частности, марга­нец или уран), может быть исполь­зована в качестве пироэлектрика, пироэлектрического ИК-детектора. Пироэлектрическое ИК определяющее устройство, состоящее из множества детекторных элементов, включает активный материал, который является сегнетоэлектрической керамикой вышеука­занного состава.

Дата добавления: 2014-01-20