铁电薄膜非制冷红外探测器的技术发展

　　0 引言

　　随着国防军事和民用方面需求的急剧增长, 低成本、轻便且无需制冷的红外焦平面器件得到迅速发展。铁电薄膜作为一种新型光电功能材料, 主要功能之一是制备非制冷红外探测器件, 是未来20 年红外技术的重要方向之一, 有可能引起红外技术的新发展。美国Raytheon 公司指出铁电薄膜非制冷红外探测在未来红外技术发展中具有明显优势[1]。近年来对铁电薄膜材料和非制冷红外探测器件的研究已成为国内外研究热点[1- 4]。

　　最近, 美国的Sandia 国家实验室和Raytheon 公司先后在实验室研制成功了铁电薄膜非制冷红外焦平面器件[1- 2]。但由于技术保密原因, 到目前为止, 在器件的结构和工艺细节方面未做详细的报道。此外,国际上对这一器件的研制虽已取得较大的进展, 但仍处于实验室阶段, 没有推向市场, 器件工艺稳定性没能很好解决是主要原因之一[1]。红外物理国家重点实验室从1995 年起就开展了铁电薄膜材料、物理以及非制冷红外探测器的研究, 为发展铁电薄膜非制冷红外焦平面器件奠定了很好的科学基础。

　　1 铁电薄膜的晶粒控制生长以及铁电极化的尺寸效应

　　在铁电薄膜材料的制备中, 溶胶- 凝胶法是当前的重要制备方法之一。BST 是一种非常重要的铁电材料,具有很高的介电常数, 并且其居里温度(30~400 K)依赖于组分(如BST 中的Ba 和Sr 的比例), 这使得BST 铁电材料在室温下具有非常好的红外响应性能。然而, 以往使用溶胶- 凝胶法制备的BST 薄膜多为不显示铁电性的颗粒状晶粒结构, 阻碍了它在非制冷红外焦平面领域的应用。

　　程建功等[5- 12]发展了一种新的溶胶- 凝胶工艺, 研制出高质量的BST 铁电薄膜。他们发现前驱体溶液浓度显著影响铁电薄膜的成核机制。使用高度稀释的前驱体溶液, 可以限制薄膜体内均匀成核的出现, 使得钙钛矿相的BST 直接在基底表面成核, 在各个晶粒内部表现为异质成核、同质外延生长, 形成大尺寸柱状晶粒, 分别如图1(a1)~(c1)所示, 图1(a2)~(c2)分别是由不同浓度前驱体溶液0.4、0.1 和0.05 M 得到的薄膜的形貌图。

　　他们还在实验上发现前驱体溶液浓度对铁电薄膜的电滞回线(P!E)和介电常数温度谱("!T)具有重要影响, 图2 是由不同前驱体浓度0.4、0.1 和0.05 M 的电滞回线, 图3 是相应的介电温谱图。发现铁电极化的晶粒尺寸效应, 对于BST 铁电薄膜只有在晶粒尺寸大于100 nm, P!E 曲线才会形成电滞回线; 同时发现"!T 曲线在室温附近的增强峰, 这是BST 铁电薄膜非制冷红外探测的依据。

　　采用这一工艺制备的Ba0.8Sr0.2TiO3 薄膜的介电、铁电和热释电性能优良。典型的性能参数为: 室温下1 kHz 处的介电常数">500, 介电损耗tan#<0.02; 在0 °C 附近, 剩余极化约为3.6 $C/cm2, 矫顽电场约82 kV/cm; 室温下其热释电系数达4.13×10- 8 Ccm- 2K- 1,相当于目前热释电探测中常用的LiTaO3 单晶的2倍, 达到了非制冷红外焦平面应用的要求。这一新的溶胶- 凝胶工艺, 也可以推广并应用于其他铁电薄膜材料的微结构控制和研制。