鐵電材料制備的紅外探測(cè)器主要有兩種工作模式:熱釋電體的無(wú)電場(chǎng)本征模式和鐵電體的場(chǎng)致增強(qiáng)模式.利用鐵電體的唯象理論,通過(guò)引入偶極子耦合,得到了兩種模式熱釋電系數(shù)的理論公式.其數(shù)值模擬表明,在熱釋電體的本征模式中,熱釋電系數(shù)隨溫度的上升而增加,接近居里溫度時(shí)急劇增大.在鐵電體的場(chǎng)致增強(qiáng)模式中,熱釋電系數(shù)由場(chǎng)致誘導(dǎo)極化的溫度效應(yīng)和偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)效應(yīng)產(chǎn)生.在低溫區(qū),低電場(chǎng)時(shí)以偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)為主形成一個(gè)尖銳的峰,增大電場(chǎng)后變?yōu)橐詧?chǎng)致誘導(dǎo)極化為主.溫度升高,以偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)引起的熱釋電系數(shù)峰向高電場(chǎng)方向移動(dòng),在順電相,以場(chǎng)致誘導(dǎo)極化為主.鐵電體用于熱釋電效應(yīng)時(shí),保持溫度穩(wěn)定性的基本方法是溫度越高,施加的電場(chǎng)越大. 

【文章來(lái)源】：科學(xué)通報(bào). 2020,65(20)北大核心EICSCD

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(網(wǎng)絡(luò)版彩色)不同溫度下,電場(chǎng)對(duì)熱釋電系數(shù)p、轉(zhuǎn)動(dòng)熱釋電系數(shù)pR和極化熱釋電系數(shù)pP的影響.(a)T=250 K;(b)T=275 K;(c)T=300 K;(d)T=315 K

(111)取向的0.9PMN-0.1PT鐵電單晶外加電場(chǎng)后測(cè)試其熱釋電系數(shù),隨著電場(chǎng)的增大熱釋電系數(shù)的負(fù)能谷向高溫移動(dòng)[19],實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象與圖4(a)在280～320 K溫度區(qū)間的結(jié)果完全一致.在摻雜的Na0.5Bi0.5Ti O3鐵電陶瓷中,在50°C加5 kV/cm的電場(chǎng)時(shí),熱釋電系數(shù)的數(shù)值為-0.5;在100°C加25 kV/cm電場(chǎng)時(shí),熱釋電系數(shù)為-0.125,且整個(gè)變化規(guī)律與本研究的結(jié)論完全一致:在低溫下低電場(chǎng)時(shí)熱釋電系數(shù)有最低的能谷,主要由轉(zhuǎn)動(dòng)的偶極子貢獻(xiàn);隨溫度升高偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生在較寬的溫度范圍并需要較大的電場(chǎng),導(dǎo)致了熱釋電系數(shù)能谷的展寬.對(duì)于其他的鐵電材料[20,21],熱釋電系數(shù)能谷隨T和E的變化均服從式(15)和(16)的結(jié)果.具有熱釋電性和壓電性的熱釋電體被實(shí)驗(yàn)證實(shí)其熱釋電系數(shù)隨溫度變化較大,使得熱釋電探測(cè)器工作性能難以穩(wěn)定[1,2].本研究的理論工作給出相關(guān)的解釋:在低于居里溫度的溫度范圍內(nèi)熱釋電系數(shù)較小,遠(yuǎn)低于鐵電體在加電場(chǎng)后的情況,而在居里溫度附近會(huì)有急劇增大的熱釋電系數(shù),且在順電相突變?yōu)?.此結(jié)論與三氟乙酸二丁胺熱釋電體的實(shí)驗(yàn)結(jié)果完全相符[22].

熱釋電系數(shù)表現(xiàn)為與電滯回線對(duì)應(yīng)的變化,考慮到實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用中均為單向增加電場(chǎng)的過(guò)程,因而鐵電體的場(chǎng)致誘導(dǎo)熱釋電系數(shù)僅考慮了從電場(chǎng)為0到最大的回線初始增加過(guò)程.正常鐵電體和熱釋電體的熱釋電系數(shù)為負(fù)值.圖2比較了在同樣條件下的鐵電體在各種電場(chǎng)作用下的熱釋電系數(shù)和經(jīng)超高電場(chǎng)極化成為熱釋電體后在無(wú)電場(chǎng)時(shí)的熱釋電系數(shù).鐵電體在低電場(chǎng)時(shí)的負(fù)熱釋電系數(shù)在低溫時(shí)會(huì)出現(xiàn)低谷,在反向偶極子消失的臨界溫度出現(xiàn)了正的尖銳峰.圖2所示E>12后該尖銳峰逐漸減小并移向低溫;E=25時(shí)熱釋電系數(shù)峰在居里溫度;E>30熱釋電系數(shù)峰移向較高溫度且值較小.超高電場(chǎng)極化形成的熱釋電體具有簡(jiǎn)單熱釋電系數(shù)變化規(guī)律:偶極子的耦合效應(yīng)使其自身的Tc移向了略高的溫度,熱釋電系數(shù)從低溫到高溫逐漸增大,到Tc時(shí)達(dá)到極大.高于Tc時(shí)熱釋電體轉(zhuǎn)變?yōu)轫橂娤嗍篃後岆娤禂?shù)為0.因此,盡管熱釋電體在Tc附近有較大的熱釋電系數(shù),但低于Tc卻遠(yuǎn)小于鐵電體,且整體的溫度穩(wěn)定性較差.根據(jù)式(7),鐵電體在電場(chǎng)作用下的熱釋電系數(shù)p由場(chǎng)致偶極子轉(zhuǎn)動(dòng)導(dǎo)致的轉(zhuǎn)動(dòng)熱釋電系數(shù)pR和電場(chǎng)誘導(dǎo)極化的熱釋電系數(shù)pP構(gòu)成.在不同溫度下,電場(chǎng)對(duì)其作用的過(guò)程如圖3所示.在較低的溫度下,熱釋電系數(shù)主要由偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng)貢獻(xiàn),T=250 K時(shí)熱釋電系數(shù)的峰在較低的電場(chǎng)E=5,當(dāng)溫度升高到T=275 K時(shí),熱釋電系數(shù)峰減小且電場(chǎng)增大到E=10,主要貢獻(xiàn)仍然是偶極子的轉(zhuǎn)動(dòng).溫度達(dá)到Tc時(shí),熱釋電系數(shù)的主要貢獻(xiàn)變?yōu)榱苏T導(dǎo)極化強(qiáng)度,峰移到更高的電場(chǎng)E=30且更平穩(wěn).到了順電相,主要貢獻(xiàn)仍然是誘導(dǎo)極化強(qiáng)度,且熱釋電系數(shù)不斷減小.

【參考文獻(xiàn)】：
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