應(yīng)變調(diào)控對鐵電晶體材料界面極性及光致熱釋電性能的影響與應(yīng)用一、引言1.1研究背景與意義鐵電晶體材料作為一類重要的功能材料，在現(xiàn)代科技領(lǐng)域中占據(jù)著舉足輕重的地位。其獨特的鐵電性能，即具有自發(fā)極化且極化方向可隨外電場改變的特性，使其在電子學(xué)、能源、傳感器等眾多領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大的應(yīng)用潛力。在電子學(xué)領(lǐng)域，鐵電晶體材料被廣泛應(yīng)用于鐵電存儲器，憑借其非易失性、高速讀寫以及低功耗等優(yōu)勢，有望成為下一代存儲技術(shù)的關(guān)鍵材料，為數(shù)據(jù)存儲和處理帶來更高的效率和可靠性。在傳感器領(lǐng)域，基于鐵電晶體材料的壓電效應(yīng)和熱釋電效應(yīng)制備的傳感器，能夠?qū)崿F(xiàn)對壓力、溫度、加速度等物理量的高靈敏度檢測，在智能傳感、生物醫(yī)學(xué)檢測等方面發(fā)揮著重要作用。在能源領(lǐng)域，鐵電晶體材料可應(yīng)用于能量收集器，將環(huán)境中的機械能、熱能等轉(zhuǎn)換為電能，為可持續(xù)能源發(fā)展提供了新的途徑。然而，傳統(tǒng)鐵電晶體材料在實際應(yīng)用中仍面臨諸多挑戰(zhàn)。其性能往往受到晶體結(jié)構(gòu)、缺陷以及界面等因素的制約，導(dǎo)致其極化強度、響應(yīng)速度、穩(wěn)定性等關(guān)鍵性能難以滿足日益增長的應(yīng)用需求。例如，在鐵電存儲器中，如何提高存儲密度和讀寫速度，降低功耗，仍然是亟待解決的問題；在傳感器應(yīng)用中，如何進一步提高傳感器的靈敏度和選擇性，拓寬檢測范圍，也是研究的重點和難點。應(yīng)變調(diào)控作為一種有效的材料性能優(yōu)化手段，為解決上述問題提供了新的思路和方法。通過對鐵電晶體材料施加應(yīng)變，可以改變其晶體結(jié)構(gòu)和電子組態(tài)，進而實現(xiàn)對其鐵電性能的精確調(diào)控。應(yīng)變可以引起晶格畸變，打破晶體的空間反演對稱性，增強自發(fā)極化強度，提高材料的電學(xué)性能。同時，應(yīng)變還可以調(diào)控材料的電疇結(jié)構(gòu)，影響疇壁的移動和取向，從而改善材料的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性。此外，應(yīng)變調(diào)控還能夠在鐵電晶體材料中引入新的物理效應(yīng)和功能，為開發(fā)新型鐵電材料和器件奠定基礎(chǔ)。光致熱釋電性能是鐵電晶體材料在光與熱作用下表現(xiàn)出的一種特殊性能，具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、無需外加偏壓等優(yōu)點。在光探測領(lǐng)域，光致熱釋電探測器能夠?qū)崿F(xiàn)對光信號的快速響應(yīng)和精確探測，可應(yīng)用于紅外成像、光電通信、生物醫(yī)學(xué)檢測等領(lǐng)域。在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域，光致熱釋電效應(yīng)可將光能和熱能轉(zhuǎn)換為電能，為新型能源轉(zhuǎn)換器件的研發(fā)提供了新的方向。然而，目前對鐵電晶體材料光致熱釋電性能的研究仍處于初級階段，其內(nèi)在物理機制尚未完全明晰，性能優(yōu)化和應(yīng)用拓展仍面臨諸多挑戰(zhàn)。綜上所述，開展鐵電晶體材料界面極性的應(yīng)變調(diào)控及光致熱釋電性能應(yīng)用探索的研究具有重要的科學(xué)意義和實際應(yīng)用價值。一方面，深入研究應(yīng)變調(diào)控對鐵電晶體材料界面極性和性能的影響機制，有助于揭示鐵電材料的物理本質(zhì)，豐富和完善鐵電材料的理論體系。另一方面，通過探索光致熱釋電性能在新型器件中的應(yīng)用，有望開發(fā)出具有高性能、多功能的鐵電材料基光電器件，推動相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。1.2研究目的與主要內(nèi)容本研究旨在深入探究鐵電晶體材料界面極性的應(yīng)變調(diào)控機制，揭示應(yīng)變與鐵電晶體材料界面極性、光致熱釋電性能之間的內(nèi)在聯(lián)系，為鐵電晶體材料的性能優(yōu)化和新型光電器件的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。圍繞這一核心目標(biāo)，本研究將從以下幾個方面展開：鐵電晶體材料界面極性的應(yīng)變調(diào)控機制研究：采用理論計算與實驗研究相結(jié)合的方法，深入分析應(yīng)變對鐵電晶體材料界面原子結(jié)構(gòu)、電子態(tài)密度以及電荷分布的影響，揭示應(yīng)變調(diào)控界面極性的微觀物理機制。通過建立界面極性與應(yīng)變之間的定量關(guān)系，為鐵電晶體材料的性能調(diào)控提供理論指導(dǎo)。應(yīng)變調(diào)控對鐵電晶體材料光致熱釋電性能的影響研究：系統(tǒng)研究不同應(yīng)變狀態(tài)下鐵電晶體材料的光致熱釋電性能，包括光致熱釋電系數(shù)、響應(yīng)速度、探測靈敏度等關(guān)鍵性能參數(shù)的變化規(guī)律。分析應(yīng)變對材料光吸收、熱傳導(dǎo)以及極化反轉(zhuǎn)等過程的影響，闡明應(yīng)變調(diào)控光致熱釋電性能的作用機制。基于應(yīng)變調(diào)控的鐵電晶體材料光致熱釋電性能優(yōu)化研究：根據(jù)應(yīng)變調(diào)控機制和性能影響規(guī)律，提出有效的性能優(yōu)化策略。通過材料設(shè)計、制備工藝優(yōu)化以及界面工程等手段，實現(xiàn)鐵電晶體材料光致熱釋電性能的顯著提升。探索新型鐵電晶體材料體系，拓展光致熱釋電性能的應(yīng)用范圍。鐵電晶體材料光致熱釋電性能在新型器件中的應(yīng)用探索：基于優(yōu)化后的鐵電晶體材料光致熱釋電性能，設(shè)計并制備新型光電器件，如光致熱釋電探測器、光熱能量轉(zhuǎn)換器件等。研究器件的工作原理、性能特性以及應(yīng)用效果，為鐵電晶體材料在光電器件領(lǐng)域的實際應(yīng)用提供技術(shù)支撐。1.3國內(nèi)外研究現(xiàn)狀在鐵電晶體材料應(yīng)變調(diào)控研究方面，國內(nèi)外學(xué)者已取得了一系列重要進展。北京科技大學(xué)陳駿教授課題組在ChemicalReviews發(fā)表的綜述文章系統(tǒng)回顧了近二十年晶格應(yīng)變工程的方法學(xué)發(fā)展，包括外延應(yīng)變、物理化學(xué)壓力和相界面應(yīng)變等，及其在鐵電功能材料領(lǐng)域取得的研究成果，涵蓋了鐵電極化、轉(zhuǎn)變溫度、電疇結(jié)構(gòu)等基礎(chǔ)物性調(diào)控研究以及機電轉(zhuǎn)換、信息存儲等應(yīng)用導(dǎo)向的性能調(diào)控。研究表明，通過晶格應(yīng)變工程可以有效調(diào)整鐵電晶體的結(jié)構(gòu)和電子組態(tài)，實現(xiàn)對鐵電性能的精確調(diào)控。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所等單位的聯(lián)合研究團隊通過放電等離子體燒結(jié)和傳統(tǒng)固相燒結(jié)相結(jié)合的方式制備鎢酸鉍鐵電陶瓷，在織構(gòu)化鎢酸鉍陶瓷中觀察到奇異的回線形應(yīng)變曲線，揭示出該奇異應(yīng)變曲線源于陶瓷材料上下表面90°鐵彈疇的不對稱翻轉(zhuǎn)引起的可逆彎曲變形，為壓電驅(qū)動器件的設(shè)計提供了新思路。在鐵電晶體材料界面極性研究領(lǐng)域，學(xué)者們主要關(guān)注界面處的原子結(jié)構(gòu)、電荷分布以及界面與鐵電性能之間的關(guān)系。界面分析常通過原子力顯微鏡、掃描探針顯微鏡等手段實現(xiàn)，研究界面處的電荷分布和相互作用。界面工程是提高鐵電材料性能的關(guān)鍵技術(shù)之一，通過優(yōu)化界面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)，可以有效改善鐵電晶體材料的性能。例如，在鐵電薄膜與電極的界面處，通過調(diào)控界面的化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)，可以降低界面電阻，提高鐵電薄膜的電學(xué)性能。然而，目前對于界面極性的調(diào)控機制以及界面與體相之間的協(xié)同作用仍有待深入研究。光致熱釋電性能作為鐵電晶體材料的重要特性之一，近年來也受到了廣泛關(guān)注。中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所易志國團隊通過在BaTiO3基鐵電陶瓷中摻雜Mn元素，制備的鐵電陶瓷帶隙降低，且鐵電性保持在較高水平，光電測試表明其光伏響應(yīng)和光-熱釋電響應(yīng)均提升了約一個數(shù)量級，將該陶瓷用于紅外輻射探測，對人體紅外信號具有優(yōu)異的識別能力。來自中國科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所的楊亞研究員課題組構(gòu)建了具有肖特基結(jié)的ITO/BaTiO3/LaNiO3薄膜器件，該器件在高于BaTiO3材料居里溫度時仍能保持穩(wěn)定的熱釋電響應(yīng)，為提高鐵電器件的熱釋電特性和可靠性提供了一種新策略。但目前光致熱釋電性能的研究仍存在一些問題，如光致熱釋電效應(yīng)的物理機制尚未完全明晰，材料的光熱轉(zhuǎn)換效率和熱釋電系數(shù)有待進一步提高等。綜上所述，盡管國內(nèi)外在鐵電晶體材料應(yīng)變調(diào)控、界面極性研究以及光致熱釋電性能方面已取得了一定的成果，但仍存在諸多不足。在應(yīng)變調(diào)控與界面極性的關(guān)聯(lián)研究方面還較為薄弱，缺乏對二者協(xié)同作用機制的深入探究。對于光致熱釋電性能，在提高材料的性能以及拓展其應(yīng)用范圍等方面仍面臨諸多挑戰(zhàn)。本研究將針對這些不足，深入開展鐵電晶體材料界面極性的應(yīng)變調(diào)控及光致熱釋電性能應(yīng)用探索，以期為鐵電晶體材料的性能優(yōu)化和新型光電器件的開發(fā)提供理論依據(jù)和技術(shù)支持。二、鐵電晶體材料的基本特性2.1鐵電晶體材料的結(jié)構(gòu)與分類鐵電晶體材料的結(jié)構(gòu)對其性能起著決定性作用。常見的鐵電晶體材料中，鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)具有獨特的特點。以鈦酸鋇（BaTiO_3）為例，其理想的立方鈣鈦礦結(jié)構(gòu)中，Ba^{2+}離子位于晶胞的頂點，Ti^{4+}離子處于晶胞的體心位置，O^{2-}離子則占據(jù)晶胞面心。在這種結(jié)構(gòu)中，離子之間通過離子鍵相互作用，形成了穩(wěn)定的晶格結(jié)構(gòu)。然而，在一定條件下，如溫度變化或受到外界應(yīng)力作用時，Ti^{4+}離子會偏離其中心位置，與周圍的O^{2-}離子形成不對稱的配位環(huán)境，從而導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较唷⒄幌嗷蛉较?。這種結(jié)構(gòu)相變伴隨著自發(fā)極化的產(chǎn)生，使鈦酸鋇表現(xiàn)出鐵電性能。除鈣鈦礦型結(jié)構(gòu)外，還有其他多種類型的鐵電晶體材料，它們在結(jié)構(gòu)上存在明顯差異。例如，鎢青銅型結(jié)構(gòu)的鐵電晶體，其結(jié)構(gòu)中存在著較大的空隙，這些空隙可以容納不同的離子，從而對材料的性能產(chǎn)生影響。鈮酸鋰（LiNbO_3）屬于鈮酸鋰型結(jié)構(gòu)，其晶體結(jié)構(gòu)中，Li^+離子和Nb^{5+}離子的排列方式?jīng)Q定了其獨特的鐵電和壓電性能。含鉍層狀結(jié)構(gòu)的鐵電晶體，具有層狀的結(jié)構(gòu)特點，層與層之間的相互作用較弱，使得這類材料在電學(xué)性能和光學(xué)性能等方面表現(xiàn)出與其他結(jié)構(gòu)鐵電晶體不同的特性。根據(jù)不同的分類標(biāo)準(zhǔn)，鐵電晶體材料可以分為多種類型。從化學(xué)成分角度，可分為無機鐵電晶體材料和有機鐵電晶體材料。無機鐵電晶體材料如上述的鈦酸鋇、鈮酸鋰等，具有較高的居里溫度和良好的穩(wěn)定性，在電子器件、傳感器等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。有機鐵電晶體材料則具有質(zhì)輕、可加工性好等優(yōu)點，近年來在柔性電子器件等領(lǐng)域展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用價值。按照晶體結(jié)構(gòu)分類，除了前面提到的鈣鈦礦型、鎢青銅型、鈮酸鋰型、含鉍層狀結(jié)構(gòu)外，還有燒綠石型等結(jié)構(gòu)的鐵電晶體材料。此外，根據(jù)極化軸的多少，鐵電晶體可分為單軸鐵電體和多軸鐵電體；依據(jù)在非鐵電相時有無對稱中心，又可分為順電相無對稱中心的鐵電體和有對稱中心的鐵電體。不同類型的鐵電晶體材料因其結(jié)構(gòu)差異，在自發(fā)極化強度、居里溫度、介電性能等方面表現(xiàn)出不同的特性，這些特性決定了它們在不同領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。2.2鐵電晶體的極化與電疇結(jié)構(gòu)鐵電晶體的極化現(xiàn)象是其重要特性之一，極化的產(chǎn)生源于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性。以典型的鈣鈦礦型鐵電晶體鈦酸鋇為例，在居里溫度以下，晶體結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?。在四方相結(jié)構(gòu)中，Ti^{4+}離子相對于O^{2-}離子發(fā)生了位移，使得晶體的正負電荷中心不再重合，從而產(chǎn)生了電偶極矩，形成自發(fā)極化。這種由于離子位移導(dǎo)致的極化機制在許多鐵電晶體中普遍存在。從微觀角度來看，離子間的相互作用以及電子云的分布變化對極化的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用。在鐵電晶體中，離子鍵和共價鍵的特性會影響離子的位移能力和電子云的變形程度，進而影響極化強度。電疇是鐵電晶體中具有相同極化方向的區(qū)域，電疇結(jié)構(gòu)的形成是鐵電晶體降低能量的一種方式。當(dāng)鐵電晶體從高溫順電相冷卻到居里溫度以下時，由于晶體中不同區(qū)域的極化方向存在多種可能性，為了使體系的總能量最低，晶體內(nèi)部會形成多個電疇。這些電疇之間通過疇壁分隔，疇壁是不同極化方向電疇之間的過渡區(qū)域，存在一定的能量。以鈦酸鋇晶體為例，常見的電疇結(jié)構(gòu)有90°疇和180°疇。在90°疇中，相鄰電疇的極化方向相互垂直；在180°疇中，相鄰電疇的極化方向相反。不同的電疇結(jié)構(gòu)對鐵電晶體的性能有著顯著影響。180°疇壁的移動相對較為容易，因為其極化方向反轉(zhuǎn)時晶體結(jié)構(gòu)的畸變較小，這使得材料在電場作用下的極化反轉(zhuǎn)過程更容易發(fā)生，從而影響材料的電學(xué)響應(yīng)速度。而90°疇壁的移動則需要克服較大的能量勢壘，因為其極化方向的改變伴隨著較大的晶體結(jié)構(gòu)畸變，這會影響材料的壓電性能和介電性能。在一些壓電應(yīng)用中，90°疇壁的存在和移動特性會影響材料的壓電系數(shù)和機電耦合系數(shù)，進而影響器件的性能。2.3鐵電晶體材料的主要性能2.3.1鐵電性鐵電晶體材料的鐵電性是其最為核心的性能之一，其本質(zhì)特征是具有自發(fā)極化現(xiàn)象，且極化方向能夠隨外電場的改變而發(fā)生可逆變化。這種獨特的性能源于晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的特殊性。以典型的鈣鈦礦型鐵電晶體鈦酸鋇（BaTiO_3）為例，在居里溫度（T_c）以下，其晶體結(jié)構(gòu)從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较唷Ｔ谒姆较嘟Y(jié)構(gòu)中，Ti^{4+}離子相對于O^{2-}離子發(fā)生了位移，導(dǎo)致晶體的正負電荷中心不再重合，從而產(chǎn)生了電偶極矩，形成自發(fā)極化。從微觀角度來看，離子間的相互作用以及電子云的分布變化對自發(fā)極化的產(chǎn)生起著關(guān)鍵作用。在鈦酸鋇晶體中，Ti-O鍵具有一定的共價性，電子云并非完全均勻分布，當(dāng)Ti^{4+}離子位移時，電子云的分布也隨之改變，進一步增強了電偶極矩，使得自發(fā)極化更加穩(wěn)定。鐵電晶體的極化方向隨外電場改變的特性，可通過電滯回線來直觀地描述。當(dāng)對鐵電晶體施加外電場時，極化強度會隨著電場強度的增加而逐漸增大。在電場強度較小時，極化強度的增加主要是由于電疇壁的移動，使得沿電場方向的電疇逐漸擴大，而與電場反平行方向的電疇逐漸縮小。隨著電場強度的進一步增大，當(dāng)所有電疇都沿電場方向排列時，極化強度達到飽和狀態(tài)。此時，若逐漸減小電場強度，極化強度并不會沿原路徑返回，而是會保留一定的剩余極化強度。只有當(dāng)施加反向電場且電場強度達到矯頑電場強度時，剩余極化才會被完全抵消，極化強度變?yōu)榱?。繼續(xù)增大反向電場強度，極化強度會反向增加，直至達到反向飽和狀態(tài)。如此循環(huán)，便形成了電滯回線。鐵電性在鐵電存儲器等應(yīng)用中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。在鐵電隨機存取存儲器（FRAM）中，利用鐵電晶體的鐵電效應(yīng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)存儲。由于鐵電晶體具有自發(fā)極化且極化方向可在外電場作用下反轉(zhuǎn)的特性，可通過施加不同方向的電場來改變鐵電晶體的極化狀態(tài)，從而表示數(shù)據(jù)的“0”和“1”。與傳統(tǒng)的動態(tài)隨機存取存儲器（DRAM）和靜態(tài)隨機存取存儲器（SRAM）相比，F(xiàn)RAM具有無需定期刷新、讀寫速度快、功耗低等優(yōu)點。在DRAM中，數(shù)據(jù)以電荷的形式存儲在電容中，由于電容會漏電，需要定期刷新以保持數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性；而SRAM則需要持續(xù)供電來維持數(shù)據(jù)。相比之下，F(xiàn)RAM利用鐵電晶體的極化狀態(tài)來存儲數(shù)據(jù)，在斷電后仍能保持數(shù)據(jù)不丟失，具有非易失性存儲的特性。此外，鐵電存儲器的讀寫速度快，能夠滿足高速數(shù)據(jù)處理的需求，且功耗低，有利于降低設(shè)備的能耗和發(fā)熱問題。2.3.2壓電性鐵電晶體材料的壓電性是指其在受到機械應(yīng)力作用時會產(chǎn)生電極化現(xiàn)象，反之，在施加電場時會發(fā)生機械變形，分別被稱為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。這一特性源于鐵電晶體的非中心對稱結(jié)構(gòu)。當(dāng)晶體受到外力作用時，內(nèi)部的晶格會發(fā)生畸變，導(dǎo)致離子的相對位置發(fā)生改變，從而使電偶極矩發(fā)生變化，產(chǎn)生電極化。以鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷為例，其晶體結(jié)構(gòu)中，Pb^{2+}離子位于晶胞的頂點，Zr^{4+}和Ti^{4+}離子則位于晶胞的體心位置，O^{2-}離子占據(jù)晶胞面心。在這種結(jié)構(gòu)中，離子之間的相互作用使得晶體具有一定的固有電偶極矩。當(dāng)受到外力作用時，晶格發(fā)生畸變，離子的位移導(dǎo)致電偶極矩的變化，從而產(chǎn)生壓電效應(yīng)。正壓電效應(yīng)在傳感器領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。例如，在壓力傳感器中，當(dāng)外界壓力作用于鐵電晶體時，晶體產(chǎn)生的電荷量與所受壓力成正比。通過測量晶體表面產(chǎn)生的電荷，就可以精確地檢測出壓力的大小。在一些工業(yè)生產(chǎn)過程中，需要實時監(jiān)測管道內(nèi)的壓力變化，采用基于鐵電晶體正壓電效應(yīng)的壓力傳感器，能夠快速、準(zhǔn)確地將壓力信號轉(zhuǎn)換為電信號，為生產(chǎn)過程的控制提供重要依據(jù)。在加速度傳感器中，利用鐵電晶體對加速度變化產(chǎn)生的慣性力的響應(yīng)，通過檢測晶體產(chǎn)生的電荷來測量加速度。在汽車的安全氣囊系統(tǒng)中，加速度傳感器能夠在車輛發(fā)生碰撞時，迅速檢測到加速度的變化，觸發(fā)安全氣囊的彈出，保障乘客的安全。逆壓電效應(yīng)則在驅(qū)動器領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用。在超聲換能器中，通過施加交變電場，利用逆壓電效應(yīng)使鐵電晶體產(chǎn)生高頻振動，從而發(fā)射出超聲波。這種超聲換能器在醫(yī)學(xué)超聲成像、無損檢測等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。在醫(yī)學(xué)超聲成像中，超聲換能器發(fā)射的超聲波在人體組織中傳播，遇到不同組織界面時會發(fā)生反射和折射，接收反射回來的超聲波信號并進行處理，就可以得到人體內(nèi)部組織的圖像，用于疾病的診斷。在無損檢測中，超聲換能器可以檢測材料內(nèi)部的缺陷，通過分析超聲波在材料中的傳播特性，判斷材料是否存在裂紋、孔洞等缺陷，保障材料和結(jié)構(gòu)的安全性。2.3.3熱釋電性鐵電晶體材料的熱釋電性是指當(dāng)溫度發(fā)生變化時，材料表面會產(chǎn)生電荷的現(xiàn)象。這一效應(yīng)的原理基于鐵電晶體的自發(fā)極化隨溫度的變化。在鐵電晶體中，自發(fā)極化強度與溫度密切相關(guān)。以硫酸三甘肽（TGS）鐵電晶體為例，在居里溫度以下，晶體具有自發(fā)極化。當(dāng)溫度升高時，晶體內(nèi)部的原子熱運動加劇，離子間的相互作用發(fā)生變化，導(dǎo)致自發(fā)極化強度減小。由于自發(fā)極化強度的變化，在晶體表面就會產(chǎn)生束縛電荷，從而表現(xiàn)出熱釋電效應(yīng)。熱釋電系數(shù)是衡量鐵電晶體熱釋電性能的重要參數(shù)，它表示單位溫度變化引起的自發(fā)極化強度的變化量。熱釋電系數(shù)與材料的性能及應(yīng)用密切相關(guān)。在紅外探測領(lǐng)域，熱釋電探測器利用鐵電晶體的熱釋電效應(yīng)來探測紅外輻射。當(dāng)紅外輻射照射到熱釋電探測器上時，探測器吸收紅外輻射的能量，溫度升高，從而產(chǎn)生熱釋電電流。熱釋電系數(shù)越大，相同溫度變化下產(chǎn)生的熱釋電電流就越大，探測器的靈敏度也就越高。因此，為了提高紅外探測器的性能，需要選擇熱釋電系數(shù)較大的鐵電晶體材料。熱釋電系數(shù)還會影響探測器的響應(yīng)速度和探測精度。較小的熱釋電系數(shù)可能導(dǎo)致探測器對溫度變化的響應(yīng)較慢，從而影響對快速變化的紅外信號的探測；而熱釋電系數(shù)的穩(wěn)定性也會影響探測精度，不穩(wěn)定的熱釋電系數(shù)可能導(dǎo)致探測結(jié)果出現(xiàn)偏差。2.3.4電光效應(yīng)鐵電晶體材料的電光效應(yīng)是指其光波傳播特性隨電場變化的現(xiàn)象。這一效應(yīng)的原理基于電場對晶體折射率的影響。當(dāng)在鐵電晶體上施加電場時，晶體內(nèi)部的電子云分布和離子位置會發(fā)生變化，從而導(dǎo)致晶體的介電常數(shù)發(fā)生改變。由于折射率與介電常數(shù)密切相關(guān)，介電常數(shù)的變化進而引起折射率的變化。以鈮酸鋰（LiNbO_3）晶體為例，它是一種典型的具有電光效應(yīng)的鐵電晶體。在未施加電場時，晶體具有一定的固有折射率。當(dāng)施加電場后，晶體內(nèi)部的電場與電子云相互作用，使得電子云的分布發(fā)生畸變，離子的位置也會相應(yīng)調(diào)整。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化導(dǎo)致晶體的介電常數(shù)改變，從而使折射率發(fā)生變化。電光效應(yīng)在光通信、光調(diào)制器等方面有著廣泛的應(yīng)用。在光通信領(lǐng)域，電光調(diào)制器利用電光效應(yīng)實現(xiàn)對光信號的調(diào)制。通過在電光調(diào)制器的鐵電晶體上施加電信號，控制晶體的折射率變化，從而改變光信號的相位、幅度或頻率。這樣，就可以將電信號加載到光信號上，實現(xiàn)光通信中的信號傳輸。在高速光通信系統(tǒng)中，電光調(diào)制器能夠快速地對光信號進行調(diào)制，滿足高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨?。在光調(diào)制器中，基于鐵電晶體電光效應(yīng)的調(diào)制器具有響應(yīng)速度快、調(diào)制深度大等優(yōu)點。它可以在短時間內(nèi)實現(xiàn)對光信號的有效調(diào)制，提高光通信系統(tǒng)的傳輸效率和可靠性。在光開關(guān)中，利用電光效應(yīng)可以實現(xiàn)光信號的快速切換，控制光信號的傳輸路徑，為光通信網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建和光信號的處理提供了重要的技術(shù)支持。三、鐵電晶體材料界面極性的應(yīng)變調(diào)控機制3.1晶格應(yīng)變工程概述晶格應(yīng)變工程是材料科學(xué)領(lǐng)域中一種強大的技術(shù)手段，其核心原理是通過對材料施加外部應(yīng)力或改變其生長條件，如選擇不同晶格常數(shù)的襯底進行外延生長，從而使材料內(nèi)部產(chǎn)生晶格應(yīng)變。這種應(yīng)變會導(dǎo)致材料晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變，原子間的距離和相對位置改變，進而引起材料電子結(jié)構(gòu)和能帶結(jié)構(gòu)的變化。在鐵電材料領(lǐng)域，晶格應(yīng)變工程具有至關(guān)重要的意義。鐵電材料的鐵電性源于晶體結(jié)構(gòu)的空間反演對稱性破缺，其性能對結(jié)構(gòu)的演變極為敏感。晶格應(yīng)變可以精確地調(diào)整鐵電晶體的結(jié)構(gòu)，打破原有的對稱性，增強自發(fā)極化強度。通過在特定的襯底上生長鐵電薄膜，利用襯底與薄膜之間的晶格失配產(chǎn)生應(yīng)變，能夠顯著提高薄膜的剩余極化強度和矯頑場。這種對鐵電性能的調(diào)控為開發(fā)高性能的鐵電材料和器件提供了有力的支持。晶格應(yīng)變工程還可以改變鐵電材料的相變溫度和相變機制。適當(dāng)?shù)膽?yīng)變可以使鐵電相變溫度發(fā)生移動，拓寬或縮小鐵電相的存在范圍。這對于優(yōu)化鐵電材料在不同溫度環(huán)境下的性能具有重要意義。在一些需要在高溫環(huán)境下工作的鐵電傳感器中，通過晶格應(yīng)變工程提高鐵電材料的居里溫度，可以確保傳感器在高溫條件下仍能保持良好的性能。晶格應(yīng)變還可以影響鐵電相變的機制，從傳統(tǒng)的一級相變轉(zhuǎn)變?yōu)槎壪嘧儯蛘叻粗?，這種相變機制的改變會對材料的性能產(chǎn)生深遠影響。此外，晶格應(yīng)變工程在調(diào)控鐵電材料的電疇結(jié)構(gòu)方面也發(fā)揮著關(guān)鍵作用。應(yīng)變可以影響電疇的取向、尺寸和疇壁的移動。在一些鐵電薄膜中，通過施加應(yīng)變，可以使電疇沿著特定的方向排列，形成有序的電疇結(jié)構(gòu)。這種有序的電疇結(jié)構(gòu)有利于提高材料的電學(xué)性能和穩(wěn)定性。應(yīng)變還可以降低疇壁移動的能量勢壘，使電疇更容易在外電場的作用下發(fā)生翻轉(zhuǎn)，從而提高材料的響應(yīng)速度。在鐵電存儲器中，快速的電疇翻轉(zhuǎn)速度意味著更快的讀寫速度，能夠滿足現(xiàn)代信息技術(shù)對高速數(shù)據(jù)存儲和處理的需求。3.2應(yīng)變調(diào)控方法3.2.1外延應(yīng)變外延應(yīng)變是一種常用的應(yīng)變調(diào)控方法，其原理基于異質(zhì)外延生長過程。當(dāng)在襯底上生長薄膜材料時，如果襯底與薄膜材料的晶格常數(shù)存在差異，就會導(dǎo)致薄膜在生長過程中產(chǎn)生應(yīng)變。這種應(yīng)變的產(chǎn)生源于薄膜與襯底之間的晶格失配。以在具有特定晶格常數(shù)a_{sub}的襯底上生長晶格常數(shù)為a_{film}的薄膜為例，當(dāng)a_{film}\neqa_{sub}時，在薄膜與襯底的界面處，為了保持原子的連續(xù)性和化學(xué)鍵的連接，薄膜會發(fā)生彈性形變，從而引入應(yīng)變。若a_{film}>a_{sub}，薄膜受到壓縮應(yīng)變；反之，若a_{film}<a_{sub}，薄膜則受到拉伸應(yīng)變。在實際應(yīng)用中，外延應(yīng)變在薄膜材料生長方面具有重要作用。例如，在鐵電薄膜的制備中，選擇合適的襯底與鐵電薄膜材料組合，可以精確調(diào)控鐵電薄膜的應(yīng)變狀態(tài)，進而優(yōu)化其鐵電性能。在以SrTiO_3為襯底生長PbTiO_3薄膜時，由于SrTiO_3的晶格常數(shù)略小于PbTiO_3，PbTiO_3薄膜在生長過程中會受到拉伸應(yīng)變。這種拉伸應(yīng)變能夠改變PbTiO_3薄膜的晶體結(jié)構(gòu)和電子云分布，增強其自發(fā)極化強度。研究表明，適當(dāng)?shù)睦鞈?yīng)變可以使PbTiO_3薄膜的剩余極化強度提高，從而提升其在鐵電存儲器、鐵電傳感器等器件中的應(yīng)用性能。通過控制薄膜的生長厚度和生長條件，可以進一步精確調(diào)控外延應(yīng)變的大小和分布，實現(xiàn)對鐵電薄膜性能的精細調(diào)控。3.2.2物理化學(xué)壓力物理壓力和化學(xué)壓力是兩種重要的應(yīng)變調(diào)控手段，它們通過不同的方式對晶體結(jié)構(gòu)和界面極性產(chǎn)生影響。物理壓力通常通過外部機械裝置施加，如使用高壓壓機對晶體材料進行壓縮。當(dāng)對鐵電晶體施加物理壓力時，晶體內(nèi)部的原子間距會減小，晶格結(jié)構(gòu)發(fā)生畸變。這種結(jié)構(gòu)變化會導(dǎo)致晶體的電子云分布發(fā)生改變，進而影響界面極性。在對BaTiO_3晶體施加物理壓力時，隨著壓力的增加，BaTiO_3晶體的晶格常數(shù)減小，Ti^{4+}離子與周圍O^{2-}離子的距離縮短，離子間的相互作用增強，導(dǎo)致晶體的自發(fā)極化強度發(fā)生變化。實驗研究表明，適當(dāng)?shù)奈锢韷毫梢允笲aTiO_3晶體的自發(fā)極化強度增強，從而提高其鐵電性能。然而，過高的物理壓力可能會導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)的不可逆破壞，因此在實際應(yīng)用中需要精確控制物理壓力的大小?；瘜W(xué)壓力則是通過改變晶體的化學(xué)成分來實現(xiàn)的。一種常見的方式是通過元素摻雜。在BaTiO_3晶體中摻雜Sr^{2+}離子，由于Sr^{2+}離子的離子半徑與Ba^{2+}離子不同，會在晶體中引入晶格畸變，從而產(chǎn)生化學(xué)壓力。這種化學(xué)壓力會改變晶體的局部電荷分布和電子云結(jié)構(gòu)，進而影響界面極性。當(dāng)Sr^{2+}離子替代Ba^{2+}離子時，由于Sr^{2+}離子的離子半徑較小，會使晶體的晶格發(fā)生收縮，導(dǎo)致Ti^{4+}離子周圍的配位環(huán)境發(fā)生變化，影響其與O^{2-}離子的相互作用，從而改變晶體的自發(fā)極化強度和界面極性?；瘜W(xué)壓力還可以通過改變晶體的化學(xué)計量比來實現(xiàn)。在一些氧化物晶體中，通過調(diào)整氧含量，可以改變晶體的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)壓力，進而調(diào)控其性能。3.2.3相界面應(yīng)變相界面應(yīng)變是一種通過構(gòu)建不同相材料的界面來產(chǎn)生應(yīng)變的方法，在鐵電材料性能調(diào)控中具有獨特的優(yōu)勢。當(dāng)兩種不同相的材料結(jié)合形成界面時，由于它們的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)存在差異，在界面處會產(chǎn)生應(yīng)力，從而導(dǎo)致相界面應(yīng)變的出現(xiàn)。這種應(yīng)變可以有效地改變材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子態(tài)，進而調(diào)控其性能。以鐵電-鐵磁復(fù)合材料為例，將鐵電相和鐵磁相材料復(fù)合在一起，在它們的相界面處會產(chǎn)生應(yīng)變。在BiFeO_3（鐵電相）與La_{0.67}Sr_{0.33}MnO_3（鐵磁相）組成的復(fù)合材料中，由于BiFeO_3和La_{0.67}Sr_{0.33}MnO_3的晶格結(jié)構(gòu)和晶格常數(shù)不同，在相界面處會產(chǎn)生應(yīng)力，從而引入相界面應(yīng)變。這種應(yīng)變會影響鐵電相和鐵磁相的性能，如改變鐵電相的極化強度和電疇結(jié)構(gòu)，以及鐵磁相的磁化強度和磁疇結(jié)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，相界面應(yīng)變可以增強鐵電-鐵磁復(fù)合材料的磁電耦合效應(yīng)，使得在施加電場時，材料的磁性能夠發(fā)生明顯變化；反之，在施加磁場時，材料的鐵電性也會受到影響。這種磁電耦合效應(yīng)在傳感器、存儲器等領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價值。相界面應(yīng)變還可以改善材料的穩(wěn)定性和可靠性，為開發(fā)高性能的多功能材料提供了新的途徑。3.3應(yīng)變對鐵電晶體材料界面極性的影響3.3.1理論分析從微觀層面來看，應(yīng)變對鐵電晶體材料界面極性的影響與晶體結(jié)構(gòu)變化和離子位移密切相關(guān)。以典型的鈣鈦礦型鐵電晶體BaTiO_3為例，在未施加應(yīng)變時，其晶體結(jié)構(gòu)中，Ba^{2+}離子位于晶胞頂點，Ti^{4+}離子處于體心，O^{2-}離子占據(jù)面心。此時，晶體內(nèi)部存在一定的固有電偶極矩，決定了材料的初始極性。當(dāng)施加應(yīng)變時，晶格發(fā)生畸變，離子間的距離和相對位置改變。若施加拉伸應(yīng)變，晶胞沿某一方向伸長，Ti^{4+}離子與周圍O^{2-}離子的距離和配位環(huán)境發(fā)生變化。這種變化導(dǎo)致離子間的相互作用力改變，電子云分布也相應(yīng)發(fā)生調(diào)整。由于Ti^{4+}離子的位移，其與O^{2-}離子形成的電偶極矩大小和方向發(fā)生改變，進而影響界面極性。從晶體結(jié)構(gòu)角度分析，應(yīng)變可能使晶體的對稱性降低，進一步增強自發(fā)極化和界面極性。在BaTiO_3中，拉伸應(yīng)變可能使晶體從立方相轉(zhuǎn)變?yōu)樗姆较?，四方相結(jié)構(gòu)中離子的不對稱分布使得電偶極矩更加穩(wěn)定，從而增強界面極性?；诿芏确汉碚摚―FT）的計算能夠深入揭示應(yīng)變與界面極性之間的關(guān)系。通過構(gòu)建不同應(yīng)變狀態(tài)下的鐵電晶體模型，利用DFT計算界面處的電子態(tài)密度和電荷分布。在對PbTiO_3薄膜施加不同程度的外延應(yīng)變進行DFT計算時發(fā)現(xiàn)，隨著拉伸應(yīng)變的增加，界面處的電子云向特定方向偏移，導(dǎo)致界面電荷分布不均勻。這種電荷分布的變化與界面極性的改變密切相關(guān)。通過計算得到的界面處的電偶極矩隨應(yīng)變的變化曲線，可以定量地描述應(yīng)變對界面極性的影響。研究表明，在一定范圍內(nèi)，拉伸應(yīng)變越大，界面電偶極矩越大，界面極性越強。這為從理論上理解應(yīng)變調(diào)控界面極性的機制提供了有力的支持。3.3.2實驗研究許多實驗研究為應(yīng)變調(diào)控鐵電晶體材料界面極性提供了有力的證據(jù)。在一項研究中，采用分子束外延（MBE）技術(shù)在SrTiO_3襯底上生長PbTiO_3薄膜。由于SrTiO_3與PbTiO_3的晶格常數(shù)存在差異，在薄膜生長過程中引入了外延應(yīng)變。利用高分辨透射電子顯微鏡（HRTEM）對薄膜的微觀結(jié)構(gòu)進行表征，清晰地觀察到了薄膜的晶格畸變情況。通過電子能量損失譜（EELS）分析界面處的元素價態(tài)和電子結(jié)構(gòu)，發(fā)現(xiàn)界面處的電子云分布發(fā)生了明顯變化。通過壓電響應(yīng)力顯微鏡（PFM）測量薄膜的極化分布，結(jié)果表明，隨著外延應(yīng)變的增加，PbTiO_3薄膜的剩余極化強度顯著增強，界面極性明顯改變。在拉伸應(yīng)變下，薄膜的極化方向更加均勻且穩(wěn)定，這與理論分析中應(yīng)變導(dǎo)致離子位移和晶體結(jié)構(gòu)變化進而影響界面極性的結(jié)論相一致。另一項實驗通過在BaTiO_3陶瓷中引入化學(xué)壓力來調(diào)控應(yīng)變。采用元素摻雜的方法，在BaTiO_3中摻入不同含量的Sr^{2+}離子。由于Sr^{2+}離子半徑與Ba^{2+}離子半徑不同，在晶體中產(chǎn)生化學(xué)壓力，引起晶格畸變。利用X射線衍射（XRD）技術(shù)精確測量晶格常數(shù)的變化，確定了應(yīng)變的大小和方向。通過介電溫譜和電滯回線測試，研究了摻雜對BaTiO_3陶瓷鐵電性能的影響。實驗結(jié)果表明，隨著Sr^{2+}離子摻雜量的增加，晶格發(fā)生收縮應(yīng)變，BaTiO_3陶瓷的居里溫度發(fā)生移動，剩余極化強度和矯頑場也發(fā)生明顯變化。在一定摻雜范圍內(nèi)，收縮應(yīng)變使界面處的離子相互作用增強，導(dǎo)致界面極性增強，這進一步驗證了應(yīng)變調(diào)控界面極性的實際效果。3.4應(yīng)變調(diào)控下的界面極性穩(wěn)定性在應(yīng)變作用下，鐵電晶體材料界面極性穩(wěn)定性受到多種因素的綜合影響。從晶體結(jié)構(gòu)角度來看，應(yīng)變導(dǎo)致的晶格畸變程度是一個關(guān)鍵因素。當(dāng)應(yīng)變使晶格畸變超過一定限度時，晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會受到破壞，進而影響界面極性的穩(wěn)定性。在鈣鈦礦型鐵電晶體中，過度的拉伸應(yīng)變可能導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)從穩(wěn)定的四方相轉(zhuǎn)變?yōu)椴环€(wěn)定的結(jié)構(gòu)，使得離子間的相互作用發(fā)生顯著變化，界面處的電偶極矩難以維持穩(wěn)定，從而降低界面極性的穩(wěn)定性。界面處的缺陷和雜質(zhì)也會對界面極性穩(wěn)定性產(chǎn)生重要影響。缺陷的存在會破壞晶體的周期性結(jié)構(gòu)，改變離子的排列方式和電荷分布。在鐵電晶體的界面處，若存在空位缺陷，會導(dǎo)致周圍離子的電荷補償和重新分布，影響電偶極矩的大小和方向，進而降低界面極性的穩(wěn)定性。雜質(zhì)的引入可能會改變界面處的電子結(jié)構(gòu)和化學(xué)環(huán)境，與主體材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵或化合物，干擾界面處的電荷傳輸和極化過程。在一些鐵電薄膜中，若存在金屬雜質(zhì)，可能會與薄膜中的氧原子發(fā)生反應(yīng)，改變薄膜的化學(xué)組成和電子結(jié)構(gòu)，影響界面極性的穩(wěn)定性。提高界面極性穩(wěn)定性對于優(yōu)化鐵電晶體材料的性能具有重要意義。在鐵電存儲器應(yīng)用中，穩(wěn)定的界面極性能夠確保存儲的數(shù)據(jù)不易丟失，提高存儲的可靠性。若界面極性不穩(wěn)定，在外界電場或溫度等因素的干擾下，極化狀態(tài)容易發(fā)生改變，導(dǎo)致存儲的數(shù)據(jù)出現(xiàn)錯誤。在鐵電傳感器中，穩(wěn)定的界面極性有助于提高傳感器的靈敏度和重復(fù)性。穩(wěn)定的界面極性能夠使傳感器對被檢測信號產(chǎn)生穩(wěn)定的響應(yīng)，減少信號的波動和誤差，提高檢測的準(zhǔn)確性。為了提高界面極性穩(wěn)定性，可以采取優(yōu)化材料制備工藝、減少缺陷和雜質(zhì)的引入、設(shè)計合理的界面結(jié)構(gòu)等方法。通過改進薄膜的生長工藝，如采用分子束外延技術(shù)精確控制原子的沉積過程，可以減少薄膜中的缺陷和雜質(zhì)，提高界面極性的穩(wěn)定性。在界面設(shè)計方面，引入緩沖層或界面修飾層，能夠調(diào)節(jié)界面處的應(yīng)力和電荷分布，增強界面極性的穩(wěn)定性。四、應(yīng)變調(diào)控對鐵電晶體材料光致熱釋電性能的影響4.1光致熱釋電效應(yīng)原理光致熱釋電效應(yīng)是鐵電晶體材料在光與熱共同作用下表現(xiàn)出的一種特殊物理現(xiàn)象，其產(chǎn)生過程涉及多個復(fù)雜的物理過程。當(dāng)鐵電晶體材料受到光照射時，材料中的原子或分子會吸收光子的能量。以典型的鐵電晶體硫酸三甘肽（TGS）為例，其晶體結(jié)構(gòu)中存在著具有固有電偶極矩的分子基團。當(dāng)光照射到TGS晶體時，光子的能量被晶體中的分子基團吸收，分子的振動和轉(zhuǎn)動能級發(fā)生躍遷，導(dǎo)致分子的熱運動加劇。這種熱運動的變化會引起晶體溫度的升高。隨著溫度的升高，鐵電晶體的自發(fā)極化強度發(fā)生改變。在鐵電晶體中，自發(fā)極化是由于晶體結(jié)構(gòu)的非中心對稱性，使得晶體內(nèi)部存在固有電偶極矩。溫度的變化會影響晶體中離子的熱振動和電子云的分布，進而改變電偶極矩的大小和方向。在TGS晶體中，溫度升高時，分子基團的熱運動增強，導(dǎo)致電偶極矩的取向發(fā)生變化，從而使自發(fā)極化強度減小。根據(jù)熱釋電效應(yīng)的原理，極化強度的變化會導(dǎo)致晶體表面電荷的釋放。當(dāng)鐵電晶體的自發(fā)極化強度隨溫度升高而減小時，晶體表面會出現(xiàn)與極化強度變化相對應(yīng)的電荷。在TGS晶體表面，由于自發(fā)極化強度的減小，會產(chǎn)生一定量的正電荷，這些電荷可以通過外部電路被檢測到，從而形成光致熱釋電電流。這種光致熱釋電電流的大小與溫度變化的速率以及熱釋電系數(shù)密切相關(guān)。熱釋電系數(shù)是衡量鐵電晶體熱釋電性能的重要參數(shù)，它表示單位溫度變化引起的自發(fā)極化強度的變化量。對于不同的鐵電晶體材料，其熱釋電系數(shù)會因晶體結(jié)構(gòu)、化學(xué)成分等因素的不同而有所差異。在TGS晶體中，其熱釋電系數(shù)在一定溫度范圍內(nèi)具有相對穩(wěn)定的值，這使得TGS晶體在光致熱釋電探測器等應(yīng)用中具有較好的性能。溫度變化與電荷釋放之間存在著緊密的聯(lián)系。從理論上來說，電荷釋放的量與溫度變化的幅度成正比。當(dāng)鐵電晶體的溫度變化較大時，自發(fā)極化強度的改變也會相應(yīng)增大，從而導(dǎo)致更多的電荷被釋放。溫度變化的速率也會影響電荷釋放的過程。如果溫度變化速率較快，晶體內(nèi)部的極化狀態(tài)來不及充分調(diào)整，可能會導(dǎo)致電荷釋放的不穩(wěn)定性。在快速加熱或冷卻鐵電晶體時，可能會出現(xiàn)電荷釋放的瞬態(tài)現(xiàn)象，產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流。影響光致熱釋電效應(yīng)的因素眾多。材料的選擇是一個關(guān)鍵因素。不同的鐵電晶體材料由于其晶體結(jié)構(gòu)和化學(xué)成分的差異，具有不同的光吸收特性、熱傳導(dǎo)性能以及熱釋電系數(shù)。一些鐵電晶體材料具有較高的光吸收系數(shù)，能夠有效地吸收光子能量，從而提高光致熱釋電效應(yīng)的強度。而材料的熱傳導(dǎo)性能則會影響溫度變化的均勻性和速率，如果熱傳導(dǎo)性能較差，可能會導(dǎo)致晶體內(nèi)部溫度分布不均勻，影響光致熱釋電效應(yīng)的穩(wěn)定性。材料中的缺陷和雜質(zhì)也會對光致熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生影響。缺陷和雜質(zhì)的存在會改變晶體的電子結(jié)構(gòu)和晶格振動特性，從而影響光吸收、熱傳導(dǎo)以及極化過程。在一些鐵電晶體中，雜質(zhì)的摻雜可能會引入額外的能級，影響光子的吸收和電荷的傳輸，進而改變光致熱釋電效應(yīng)。4.2應(yīng)變對光致熱釋電性能的影響機制4.2.1晶體結(jié)構(gòu)變化的影響應(yīng)變會導(dǎo)致鐵電晶體材料的晶格參數(shù)發(fā)生改變，這對光致熱釋電性能有著顯著的影響。以BaTiO_3鐵電晶體為例，當(dāng)施加應(yīng)變時，其晶格結(jié)構(gòu)會發(fā)生畸變。在拉伸應(yīng)變作用下，BaTiO_3晶體的晶格常數(shù)a和c會發(fā)生變化，這種變化會導(dǎo)致晶體內(nèi)部的離子間距離和鍵角改變。由于光致熱釋電效應(yīng)與晶體的自發(fā)極化密切相關(guān)，而自發(fā)極化又依賴于晶體結(jié)構(gòu)，晶格參數(shù)的變化會影響離子的相對位置和電子云分布，進而改變電偶極矩。拉伸應(yīng)變可能使Ti^{4+}離子與周圍O^{2-}離子的距離增大，電偶極矩發(fā)生改變，導(dǎo)致自發(fā)極化強度變化，從而影響光致熱釋電性能。從理論計算角度來看，基于密度泛函理論的計算結(jié)果表明，晶格參數(shù)的微小變化會引起電偶極矩的顯著改變。當(dāng)晶格常數(shù)a增大一定比例時，電偶極矩可能會增大或減小，這取決于晶體結(jié)構(gòu)的具體變化方式。這種電偶極矩的改變會直接影響光致熱釋電效應(yīng)中電荷的釋放和產(chǎn)生，進而影響光致熱釋電性能。4.2.2電疇結(jié)構(gòu)變化的影響應(yīng)變引起的電疇結(jié)構(gòu)變化與光致熱釋電性能的改變存在著緊密的內(nèi)在聯(lián)系。在鐵電晶體中，電疇是具有相同極化方向的區(qū)域，電疇結(jié)構(gòu)的變化會影響材料的宏觀極化特性。當(dāng)施加應(yīng)變時，電疇的取向、尺寸和疇壁的移動都會發(fā)生改變。在一些鐵電薄膜中，拉伸應(yīng)變可能會使電疇沿著應(yīng)變方向取向，導(dǎo)致電疇的排列更加有序。這種電疇取向的改變會影響光致熱釋電性能，因為光致熱釋電效應(yīng)與材料的極化狀態(tài)密切相關(guān)。當(dāng)電疇取向發(fā)生變化時，材料的極化強度和極化方向都會改變，從而影響光致熱釋電電流的大小和方向。疇壁的移動在應(yīng)變調(diào)控光致熱釋電性能中也起著重要作用。應(yīng)變可以降低疇壁移動的能量勢壘，使疇壁更容易移動。當(dāng)疇壁移動時，會導(dǎo)致材料的極化狀態(tài)發(fā)生變化，進而影響光致熱釋電性能。在某些情況下，應(yīng)變引起的疇壁移動可能會導(dǎo)致材料的極化強度快速變化，從而產(chǎn)生較大的光致熱釋電電流。實驗研究表明，通過控制應(yīng)變的大小和方向，可以有效地調(diào)控電疇結(jié)構(gòu)，進而優(yōu)化光致熱釋電性能。在一些鐵電陶瓷材料中，通過施加適當(dāng)?shù)膽?yīng)變，可以使電疇結(jié)構(gòu)更加均勻，疇壁密度降低，從而提高光致熱釋電性能。4.3實驗研究與數(shù)據(jù)分析4.3.1實驗設(shè)計與方法本實驗選取典型的鐵電晶體材料鈦酸鋇（BaTiO_3）作為研究對象，因其具有良好的鐵電性能和廣泛的應(yīng)用前景。為實現(xiàn)對BaTiO_3晶體的應(yīng)變施加，采用外延生長的方法在特定襯底上生長BaTiO_3薄膜。選用晶格常數(shù)與BaTiO_3存在一定差異的SrTiO_3襯底，利用襯底與薄膜之間的晶格失配引入外延應(yīng)變。通過分子束外延（MBE）技術(shù)精確控制薄膜的生長過程，確保薄膜的高質(zhì)量和均勻性。在生長過程中，通過調(diào)整生長溫度、原子束流強度等參數(shù)，實現(xiàn)對薄膜應(yīng)變狀態(tài)的精細調(diào)控。對于光致熱釋電性能測試，搭建了一套高精度的測試系統(tǒng)。采用氙燈作為光源，通過單色儀選擇特定波長的光照射到BaTiO_3薄膜樣品上。利用紅外探測器實時監(jiān)測樣品的溫度變化，通過測量樣品表面產(chǎn)生的熱釋電電流來表征光致熱釋電性能。為了提高測試的準(zhǔn)確性，在測試過程中對環(huán)境溫度進行嚴格控制，保持環(huán)境溫度的穩(wěn)定。采用鎖相放大器對熱釋電電流信號進行放大和處理，有效降低噪聲干擾，提高信號的信噪比。在測試前，對測試系統(tǒng)進行校準(zhǔn)，確保測試數(shù)據(jù)的可靠性。4.3.2實驗結(jié)果分析通過對不同應(yīng)變狀態(tài)下的BaTiO_3薄膜進行光致熱釋電性能測試，得到了一系列實驗數(shù)據(jù)。對這些數(shù)據(jù)進行深入分析后，發(fā)現(xiàn)應(yīng)變調(diào)控與光致熱釋電性能參數(shù)之間存在著顯著的關(guān)系。隨著拉伸應(yīng)變的增加，BaTiO_3薄膜的熱釋電系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢。在一定的應(yīng)變范圍內(nèi)，拉伸應(yīng)變使BaTiO_3晶體的晶格發(fā)生畸變，離子間的相互作用增強，導(dǎo)致自發(fā)極化強度增大，從而使熱釋電系數(shù)增大。當(dāng)應(yīng)變超過某一臨界值時，晶格畸變過度，晶體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到影響，導(dǎo)致熱釋電系數(shù)下降。響應(yīng)時間也是光致熱釋電性能的重要參數(shù)之一。實驗結(jié)果表明，應(yīng)變對BaTiO_3薄膜的響應(yīng)時間有明顯的影響。在較小的應(yīng)變下，薄膜的響應(yīng)時間相對較長。這是因為此時電疇結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，疇壁移動的阻力較大，導(dǎo)致極化狀態(tài)的改變需要較長時間，從而使響應(yīng)時間延長。隨著應(yīng)變的增加，電疇結(jié)構(gòu)逐漸優(yōu)化，疇壁移動的能量勢壘降低，極化狀態(tài)能夠更快地響應(yīng)光熱變化，使得響應(yīng)時間縮短。當(dāng)應(yīng)變進一步增大時，由于晶體結(jié)構(gòu)的過度畸變，可能會引入一些缺陷和雜質(zhì)，這些缺陷和雜質(zhì)會阻礙電荷的傳輸，導(dǎo)致響應(yīng)時間再次延長。通過對實驗數(shù)據(jù)的分析，明確了應(yīng)變調(diào)控與光致熱釋電性能參數(shù)之間的關(guān)系，為進一步優(yōu)化鐵電晶體材料的光致熱釋電性能提供了實驗依據(jù)。五、鐵電晶體材料光致熱釋電性能的應(yīng)用探索5.1在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用5.1.1原理與優(yōu)勢鐵電晶體材料光致熱釋電性能在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用基于其獨特的光致熱釋電效應(yīng)原理。當(dāng)紅外輻射照射到鐵電晶體材料上時，材料吸收紅外輻射的能量，溫度升高。以典型的鐵電晶體硫酸三甘肽（TGS）為例，其晶體結(jié)構(gòu)中存在具有固有電偶極矩的分子基團。紅外輻射的能量被分子基團吸收后，分子的熱運動加劇，導(dǎo)致晶體溫度上升。隨著溫度的升高，鐵電晶體的自發(fā)極化強度發(fā)生改變。在TGS晶體中，溫度升高使分子基團的熱運動增強，電偶極矩的取向發(fā)生變化，從而使自發(fā)極化強度減小。根據(jù)熱釋電效應(yīng)原理，極化強度的變化會導(dǎo)致晶體表面電荷的釋放。當(dāng)TGS晶體的自發(fā)極化強度隨溫度升高而減小時，晶體表面會出現(xiàn)與極化強度變化相對應(yīng)的電荷，這些電荷可以通過外部電路被檢測到，形成光致熱釋電電流。通過檢測光致熱釋電電流的大小和變化，就可以實現(xiàn)對紅外輻射的探測。與其他紅外探測材料相比，基于鐵電晶體材料光致熱釋電性能的紅外探測器具有顯著優(yōu)勢。鐵電晶體材料的光致熱釋電探測器響應(yīng)速度快。由于光致熱釋電效應(yīng)是基于材料溫度變化引起的極化強度改變，而材料對溫度變化的響應(yīng)非常迅速，能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生明顯的光致熱釋電電流變化。相比之下，一些傳統(tǒng)的紅外探測材料，如碲鎘汞等，其響應(yīng)機制涉及電子的躍遷等過程，響應(yīng)速度相對較慢。光致熱釋電探測器無需外加偏壓。鐵電晶體材料在光致熱釋電效應(yīng)中，自身能夠產(chǎn)生電荷，通過檢測這些電荷即可實現(xiàn)紅外探測，不需要像一些其他紅外探測器那樣需要外加偏壓來驅(qū)動。這不僅簡化了探測器的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計，降低了成本，還提高了探測器的穩(wěn)定性和可靠性。一些基于光電導(dǎo)效應(yīng)的紅外探測器需要外加偏壓來控制載流子的運動，偏壓的穩(wěn)定性會影響探測器的性能。鐵電晶體材料的光致熱釋電探測器還具有靈敏度高的特點。在合適的條件下，鐵電晶體材料能夠?qū)ξ⑿〉募t外輻射變化產(chǎn)生明顯的光致熱釋電響應(yīng)，能夠檢測到較弱的紅外信號。一些高性能的鐵電晶體材料制成的光致熱釋電探測器，其探測靈敏度可以達到較高的水平，滿足對高精度紅外探測的需求。5.1.2應(yīng)用案例分析以某型號的熱釋電紅外探測器為例，該探測器采用了鐵電晶體材料作為敏感元件，在實際應(yīng)用中展現(xiàn)出了良好的性能。在安防監(jiān)控領(lǐng)域，該探測器被廣泛應(yīng)用于入侵檢測系統(tǒng)。其工作原理基于人體會發(fā)出特定波長范圍的紅外輻射，當(dāng)有人進入探測器的探測區(qū)域時，人體發(fā)出的紅外輻射被探測器的鐵電晶體材料吸收，引起材料溫度升高，產(chǎn)生光致熱釋電電流。探測器通過檢測光致熱釋電電流的變化，判斷是否有人員入侵。從性能指標(biāo)來看，該探測器的探測距離可達10米，能夠有效覆蓋較大的監(jiān)控范圍。在實際應(yīng)用中，能夠準(zhǔn)確地檢測到進入探測區(qū)域內(nèi)的人員，誤報率較低。其響應(yīng)時間短，能夠在人員進入后的短時間內(nèi)迅速檢測到并發(fā)出報警信號，為安防監(jiān)控提供了及時的預(yù)警。在環(huán)境溫度為25℃時，探測器的噪聲等效功率（NEP）低至1\times10^{-10}W/Hz^{1/2}，這表明探測器對微弱紅外信號具有較高的檢測能力，能夠在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確地檢測到目標(biāo)物體發(fā)出的紅外輻射。該探測器的探測精度較高，能夠分辨出人體與其他物體發(fā)出的紅外輻射差異，減少了因環(huán)境干擾而產(chǎn)生的誤報情況。在實際應(yīng)用效果方面，該探測器在多個安防監(jiān)控項目中得到了應(yīng)用，取得了良好的效果。在某商業(yè)場所的安防系統(tǒng)中，安裝了多個該型號的熱釋電紅外探測器，有效地防止了非法入侵事件的發(fā)生。當(dāng)有人員在非營業(yè)時間進入監(jiān)控區(qū)域時，探測器能夠迅速檢測到并觸發(fā)報警系統(tǒng)，通知安保人員及時處理。在智能家居系統(tǒng)中，該探測器也被用于自動照明控制。當(dāng)有人進入房間時，探測器檢測到人體發(fā)出的紅外輻射，自動開啟照明設(shè)備，實現(xiàn)了智能化的照明控制，提高了家居的便利性和舒適度。5.2在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用5.2.1光-熱-電轉(zhuǎn)換機制光致熱釋電效應(yīng)實現(xiàn)光-熱-電轉(zhuǎn)換是一個復(fù)雜而有序的過程，涉及多個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。當(dāng)鐵電晶體材料受到光照射時，材料中的原子或分子會吸收光子的能量，使得其熱運動加劇，進而導(dǎo)致材料溫度升高。以典型的鐵電晶體硫酸三甘肽（TGS）為例，其晶體結(jié)構(gòu)中存在著具有固有電偶極矩的分子基團。當(dāng)光照射到TGS晶體時，光子的能量被分子基團吸收，分子的振動和轉(zhuǎn)動能級發(fā)生躍遷，導(dǎo)致分子的熱運動增強，從而使晶體溫度上升。隨著溫度的升高，鐵電晶體的自發(fā)極化強度發(fā)生改變。在TGS晶體中，溫度升高時，分子基團的熱運動加劇，導(dǎo)致電偶極矩的取向發(fā)生變化，從而使自發(fā)極化強度減小。根據(jù)熱釋電效應(yīng)的原理，極化強度的變化會導(dǎo)致晶體表面電荷的釋放。當(dāng)TGS晶體的自發(fā)極化強度隨溫度升高而減小時，晶體表面會出現(xiàn)與極化強度變化相對應(yīng)的電荷。這些電荷可以通過外部電路被檢測到，形成光致熱釋電電流，從而實現(xiàn)了從光到電的轉(zhuǎn)換。在這個過程中，能量轉(zhuǎn)換效率受到多種因素的影響。材料的光吸收特性起著關(guān)鍵作用。不同的鐵電晶體材料對光的吸收能力不同，這取決于材料的能帶結(jié)構(gòu)和光學(xué)性質(zhì)。一些鐵電晶體材料具有較高的光吸收系數(shù)，能夠有效地吸收光子能量，從而提高光致熱釋電效應(yīng)的強度。晶體結(jié)構(gòu)的完整性和缺陷情況也會影響光吸收。如果晶體中存在較多的缺陷，如空位、位錯等，可能會導(dǎo)致光的散射和吸收效率降低，進而影響能量轉(zhuǎn)換效率。熱傳導(dǎo)性能也是影響能量轉(zhuǎn)換效率的重要因素。熱傳導(dǎo)性能好的材料能夠快速地將吸收的光能轉(zhuǎn)化為熱能并均勻地分布在材料中，使得溫度變化更加均勻，有利于提高熱釋電效應(yīng)的穩(wěn)定性。相反，如果熱傳導(dǎo)性能較差，材料內(nèi)部可能會出現(xiàn)溫度梯度，導(dǎo)致極化不均勻，從而降低能量轉(zhuǎn)換效率。材料的熱釋電系數(shù)是衡量光致熱釋電性能的關(guān)鍵參數(shù)之一。熱釋電系數(shù)越大，單位溫度變化引起的自發(fā)極化強度變化就越大，在相同的光熱條件下，產(chǎn)生的光致熱釋電電流也就越大，能量轉(zhuǎn)換效率相應(yīng)提高。5.2.2應(yīng)用前景與挑戰(zhàn)鐵電晶體材料光致熱釋電性能在太陽能利用等領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。在太陽能電池領(lǐng)域，將光致熱釋電效應(yīng)與傳統(tǒng)的光電效應(yīng)相結(jié)合，有望開發(fā)出新型的太陽能電池。這種新型太陽能電池可以充分利用太陽能的光能和熱能，提高太陽能的轉(zhuǎn)換效率。在一些光照充足且溫度變化較大的地區(qū)，利用鐵電晶體材料的光致熱釋電性能，可以將太陽能轉(zhuǎn)化為電能，為當(dāng)?shù)氐哪茉垂?yīng)提供新的途徑。光致熱釋電效應(yīng)還可應(yīng)用于太陽能熱水器等熱能利用設(shè)備中，實現(xiàn)熱能到電能的轉(zhuǎn)換，提高能源的綜合利用效率。在太陽能熱水器中，通過在集熱器表面涂覆鐵電晶體材料，當(dāng)吸收太陽能使水溫升高時，利用光致熱釋電效應(yīng)產(chǎn)生電能，可用于驅(qū)動熱水器的輔助設(shè)備，如循環(huán)泵等。然而，目前鐵電晶體材料光致熱釋電性能在實際應(yīng)用中仍面臨諸多技術(shù)挑戰(zhàn)。材料的光熱轉(zhuǎn)換效率和熱釋電系數(shù)有待進一步提高。雖然一些鐵電晶體材料已經(jīng)表現(xiàn)出一定的光致熱釋電性能，但與實際應(yīng)用需求相比，其轉(zhuǎn)換效率和熱釋電系數(shù)還較低。需要通過材料設(shè)計、摻雜改性等手段，優(yōu)化材料的晶體結(jié)構(gòu)和電子性能，提高光熱轉(zhuǎn)換效率和熱釋電系數(shù)。通過在鐵電晶體材料中摻雜特定的元素，改變材料的能帶結(jié)構(gòu)，增強光吸收能力，提高光熱轉(zhuǎn)換效率。材料的穩(wěn)定性和可靠性也是需要解決的重要問題。在實際應(yīng)用中，鐵電晶體材料需要在不同的環(huán)境條件下長期穩(wěn)定工作。溫度、濕度、光照等環(huán)境因素可能會影響材料的性能，導(dǎo)致光致熱釋電性能下降。因此，需要研究材料在不同環(huán)境條件下的穩(wěn)定性，開發(fā)有效的防護措施，提高材料的可靠性。此外，器件的制備工藝和成本也是制約光致熱釋電性能應(yīng)用的關(guān)鍵因素。目前，鐵電晶體材料光致熱釋電器件的制備工藝還不夠成熟，制備過程復(fù)雜，成本較高。這限制了其大規(guī)模的應(yīng)用。需要進一步優(yōu)化制備工藝，降低成本，提高器件的制備效率和質(zhì)量。探索新的制備方法，如溶液法、氣相沉積法等，簡化制備過程，降低成本。還需要解決器件與外部電路的集成問題，提高器件的性能和可靠性。5.3在傳感器領(lǐng)域的應(yīng)用5.3.1溫度傳感器基于鐵電晶體材料光致熱釋電性能的溫度傳感器，其工作原理緊密圍繞光致熱釋電效應(yīng)。當(dāng)有光照射到這類溫度傳感器的鐵電晶體材料上時，材料中的原子或分子會吸收光子的能量，導(dǎo)致其熱運動加劇，進而使材料溫度升高。以典型的鐵電晶體硫酸三甘肽（TGS）為例，在其晶體結(jié)構(gòu)中存在具有固有電偶極矩的分子基團。當(dāng)光照射時，光子能量被分子基團吸收，分子的振動和轉(zhuǎn)動能級發(fā)生躍遷，熱運動增強，使得晶體溫度上升。隨著溫度的升高，鐵電晶體的自發(fā)極化強度發(fā)生改變。在TGS晶體中，溫度升高致使分子基團的熱運動加劇，電偶極矩的取向發(fā)生變化，從而使自發(fā)極化強度減小。根據(jù)熱釋電效應(yīng)原理，極化強度的變化會導(dǎo)致晶體表面電荷的釋放。當(dāng)TGS晶體的自發(fā)極化強度隨溫度升高而減小時，晶體表面會出現(xiàn)與極化強度變化相對應(yīng)的電荷。通過檢測這些電荷的變化，就可以準(zhǔn)確地確定溫度的變化情況。這種溫度傳感器具有諸多顯著特點。響應(yīng)速度快是其突出優(yōu)勢之一。由于光致熱釋電效應(yīng)基于材料溫度變化引起的極化強度改變，而材料對溫度變化的響應(yīng)極為迅速，能夠在短時間內(nèi)產(chǎn)生明顯的光致熱釋電電流變化。相比一些傳統(tǒng)的溫度傳感器，如熱敏電阻溫度傳感器，其響應(yīng)速度受限于材料的熱傳導(dǎo)速度和電阻變化速度，響應(yīng)時間較長?；诠庵聼後岆娦阅艿臏囟葌鞲衅鳠o需外加偏壓。鐵電晶體材料在光致熱釋電效應(yīng)中，自身能夠產(chǎn)生電荷，通過檢測這些電荷即可實現(xiàn)溫度檢測，不需要像一些其他溫度傳感器那樣需要外加偏壓來驅(qū)動。這不僅簡化了傳感器的結(jié)構(gòu)和電路設(shè)計，降低了成本，還提高了傳感器的穩(wěn)定性和可靠性。一些基于熱電偶原理的溫度傳感器需要外接電源來維持熱電偶的工作，電源的穩(wěn)定性會影響傳感器的性能。該溫度傳感器還具有較高的靈敏度。在合適的條件下，鐵電晶體材料能夠?qū)ξ⑿〉臏囟茸兓a(chǎn)生明顯的光致熱釋電響應(yīng)，能夠檢測到微小的溫度波動。一些高性能的鐵電晶體材料制成的溫度傳感器，其溫度分辨率可以達到較高的水平，滿足對高精度溫度檢測的需求。在不同場景下，基于光致熱釋電性能的溫度傳感器展現(xiàn)出獨特的應(yīng)用優(yōu)勢。在工業(yè)生產(chǎn)中，許多工藝過程對溫度的控制要求極高。在半導(dǎo)體芯片制造過程中，硅片的生長和加工溫度需要精確控制在極小的范圍內(nèi)?；诠庵聼後岆娦阅艿臏囟葌鞲衅髂軌蚩焖?、準(zhǔn)確地檢測硅片的溫度變化，為工藝控制提供及時、可靠的溫度數(shù)據(jù)，確保芯片制造的質(zhì)量和穩(wěn)定性。在生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，對生物體溫度的精確測量對于疾病診斷和治療具有重要意義。在腫瘤熱療過程中，需要實時監(jiān)測腫瘤組織的溫度，以確保治療效果并避免對正常組織造成損傷。這種溫度傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)對生物組織溫度的高精度測量，為腫瘤熱療提供有效的溫度監(jiān)測手段。在環(huán)境監(jiān)測中，對于大氣溫度、水體溫度等的監(jiān)測是評估環(huán)境質(zhì)量和氣候變化的重要依據(jù)?；诠庵聼後岆娦阅艿臏囟葌鞲衅骺梢钥焖夙憫?yīng)環(huán)境溫度的變化，提供準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)，有助于及時發(fā)現(xiàn)環(huán)境溫度異常，為環(huán)境保護和氣候研究提供支持。5.3.2其他傳感器應(yīng)用拓展在壓力傳感器方面，鐵電晶體材料的光致熱釋電性能也展現(xiàn)出潛在的應(yīng)用可能性。其原理基于鐵電晶體的壓電效應(yīng)與光致熱釋電效應(yīng)的耦合。當(dāng)鐵電晶體受到壓力作用時，根據(jù)壓電效應(yīng)，晶體內(nèi)部會產(chǎn)生應(yīng)力，導(dǎo)致晶格畸變，從而產(chǎn)生電極化。這種電極化的變化會影響晶體的光吸收和熱傳導(dǎo)特性。在一些鐵電晶體中，壓力引起的晶格畸變會改變晶體的能帶結(jié)構(gòu)，進而影響光的吸收和發(fā)射。當(dāng)有光照射到受壓力作用的鐵電晶體上時，光致熱釋電效應(yīng)會受到壓電效應(yīng)產(chǎn)生的電極化變化的調(diào)制。通過檢測光致熱釋電電流的變化，就可以間接獲取壓力的信息。這種基于光致熱釋電性能的壓力傳感器具有響應(yīng)速度快、靈敏度高等優(yōu)點。在一些需要快速檢測壓力變化的場合，如航空航天領(lǐng)域中飛行器機翼表面壓力的實時監(jiān)測，該傳感器能夠快速響應(yīng)壓力的動態(tài)變化，為飛行器的飛行安全提供重要的壓力數(shù)據(jù)。在氣體傳感器領(lǐng)域，鐵電晶體材料的光致熱釋電性能同樣具有應(yīng)用潛力。其工作原理主要基于氣體與鐵電晶體表面的相互作用對光致熱釋電性能的影響。某些氣體分子能夠吸附在鐵電晶體表面，與晶體表面的原子或分子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，改變晶體表面的電荷分布和電子結(jié)構(gòu)。這種變化會影響鐵電晶體的光吸收和熱傳導(dǎo)性能，進而影響光致熱釋電效應(yīng)。在檢測二氧化氮氣體時，二氧化氮分子吸附在鐵電晶體表面，會與晶體表面的氧原子發(fā)生反應(yīng)，形成新的化學(xué)鍵，導(dǎo)致晶體表面的電子云分布發(fā)生改變。當(dāng)有光照射到吸附有二氧化氮氣體的鐵電晶體上時，光致熱釋電電流會發(fā)生變化。通過檢測光致熱釋電電流的變化，就可以實現(xiàn)對氣體濃度的檢測。這種基于光致熱釋電性能的氣體傳感器具有選擇性好、響應(yīng)速度快等特點。在環(huán)境監(jiān)測中，對于空氣中有害氣體濃度的檢測要求傳感器具有高選擇性和快速響應(yīng)能力，該傳感器能夠滿足這些要求，準(zhǔn)確檢測出特定有害氣體的濃度，為環(huán)境保護提供有效的監(jiān)測手段。六、結(jié)論與展望6.1研究成果總結(jié)本研究圍繞鐵電晶體材料界面極性的應(yīng)變調(diào)控及光致熱釋電性能應(yīng)用展開，取得了一系列具有重要學(xué)術(shù)價值和實際應(yīng)用意義的成果。在鐵電晶體材料界面極性的應(yīng)變調(diào)控機制方面，深入研究了晶格應(yīng)變工程，明確了外延應(yīng)變、物理化學(xué)壓力和相界面應(yīng)變等調(diào)控方法的原理和特點。通過理論分析和實驗研究，揭示了應(yīng)變對鐵電晶體材料界面極性的影響機制。從微觀層面，應(yīng)變導(dǎo)致晶體結(jié)構(gòu)變化和離子位移，改變了界面處的電子云分布和電荷分布，進而影響界面極性?；诿芏确汉碚摰挠嬎憬Y(jié)果表明，應(yīng)變與界面極性之間存在定量關(guān)系，在一定范圍內(nèi)，拉伸應(yīng)變可增強界面極性。實驗研究通過高分辨透射電子顯微鏡、電子能量損失譜等技術(shù)，直觀地觀察到應(yīng)變引起的晶格畸變和界面電子結(jié)構(gòu)變化，驗證了理論分析的結(jié)果。還探討了應(yīng)變調(diào)控下的界面極性穩(wěn)定性，明確了晶體結(jié)構(gòu)畸變、缺陷和雜質(zhì)等因素對界面極性穩(wěn)定性的影響，為提高鐵電晶體材料的性能提供了理論基礎(chǔ)。在應(yīng)變調(diào)控對鐵電晶體材料光致熱釋電性能的影響方面，深入剖析了光致熱釋電效應(yīng)原理，明確了光致熱釋電效應(yīng)是材料吸收光能量導(dǎo)致溫度變化，進而引起自發(fā)極化強度改變，最終產(chǎn)生電荷釋放的過程。詳細闡述了應(yīng)變對光致熱釋電性能的影響機制，應(yīng)變導(dǎo)致的晶體結(jié)構(gòu)變化會改變離子間的相互作用和電偶極矩，從而影響光致熱釋電性能。應(yīng)變引起的電疇結(jié)構(gòu)變化，包括電疇取向和疇壁移動的改變，也與光致熱釋電性能的改變密切相關(guān)。通過實驗研究，選取BaTiO_3晶體作為研究對象，采用外延生長方法施加應(yīng)變，搭建高精度測試系統(tǒng)對光致熱釋電性能進行測試。實驗結(jié)果表明，應(yīng)變調(diào)控與光致熱釋電性能參數(shù)之間存在顯著關(guān)系，拉伸應(yīng)變使BaTiO_3薄膜的熱釋電系數(shù)先增大后減小，響應(yīng)時間先縮短后延長，為進一步優(yōu)化鐵電晶體材料的光致熱釋電性能提供了實驗依據(jù)。在鐵電晶體材料光致熱釋電性能的應(yīng)用探索方面，研究了其在紅外探測領(lǐng)域的應(yīng)用，明確了基于光致熱釋電效應(yīng)的紅外探測器的工作原理，該探測器具有響應(yīng)速度快、無需外加偏壓、靈敏度高等優(yōu)勢。通過應(yīng)用案例分析，某型號的熱釋電紅外探測器在安防監(jiān)控領(lǐng)域表現(xiàn)出良好的性能，探測距離可達10米，響應(yīng)時間短，噪聲等效功率低，誤報率低，在智能家居系統(tǒng)中也實現(xiàn)了自動照明控制，提高了家居的便利性和舒適度。探索了光致熱釋電性能在能量轉(zhuǎn)換領(lǐng)域的應(yīng)用，揭示了光-熱-電轉(zhuǎn)換機制，分