WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

Pages:     || 2 |
Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 9 05;06;07 Сегнетоэлектрики-релаксоры как материалы для ИК фотоприемников © С.Е. Александров, Г.А. Гаврилов, А.А. Капралов, Е.П. Смирнова, Г.Ю. Сотникова, А.В. Сотников Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, 194021 Санкт-Петербург, Россия e-mail: gga@holo.ioffe.rssi.ru (Поступило в Редакцию 17 февраля 2004 г.) На основе экспериментальных исследований диэлектрических и пироэлектрических свойств типичного сегнетоэлектрика-релаксара 0.9PbMg1/3Nb2/3O3-0.1PbTiO3 (PMN-PT) определены значения пирокоэффициента и факторы качества материала при использовании его для детектирования ИК излучения. Приведены их зависимости от температуры и внешнего электрического поля. Рассчитаны значения токовой, вольтовой чувствительности и детектирующей способности ИК фотоприемников на основе исследованных материалов, проведено их сравнение с аналогичными характеристиками пироприемников и диэлектрических болометров, использующих в качестве активного элемента известные пироэлектрические материалы, а также других неохлаждаемых фотоприемников.

Введение температуре, обладают, по нашим оценкам, D порядка 108-5 · 109 cm · Hz-1/2 · W-1, однако имеют высокую Использование ИК диапазона спектра излучения для чувствительность только в узких спектральных областях разработки широкого класса приборов: детекторов и (0.5 µm) в диапазоне 2.9-5 µm [3].

анализаторов газов и пламени, приборов точного ви- Неохлаждаемые тепловые детекторы на основе пиродения, детекторов движения, пирометров и т. п. тесно электрических материалов по своему принципу действия связано с успехами в развитии детекторов ИК излуче- имеют одинаковую чувствительность во всем спектральния. Такие факторы, как цена, возможность создания ном диапазоне электромагнитного излучения, находя детекторов большой площади сравнимы по важности широкое применение главным образом для регистрации с их радиометрическими характеристиками, а часто инфракрасного излучения. Поглощенная энергия излуявляются определяющими при выборе детектора. Одним чения вызывает изменение температуры пироэлектрииз важнейших требований для использования в приборо- ческого элемента, что в свою очередь ведет к изменестроении остается возможность стабильной работы без нию его поляризации и соответственно к появлению принудительного охлаждения.

поверхностного заряда. Пироэффект наблюдается во Для сравнительной оценки различных типов фото- всех средах, обладающих выделенным полярным направприемников принято пользоваться понятием детекти- лением. Одним из основных ограничений применения рующей способности (D), которая определяется как пироэлектрических материалов в качестве детекторов величина, обратная минимально детектируемой мощ- излучения является то, что по своей физической природе ности сигнала PN: D = A/PN, где A — площадь пироток в них является реакцией только на изменение фотоприемника [1]. Так как величина PN определяется температуры, поэтому для детектирования излучения чувствительностью и шумами фотоприемника, а послед- необходима его модуляция.

ние в большинстве случаев пропорциональны корню Наиболее широко используемым материалом является квадратному из его площади, то величина D не зависит триглицинсульфат (TGS) и соединения на его основе, от площади фотоприемника и позволяет сравнивать так как обладают наилучшими характеристиками по фотоприемники различных размеров. чувствительности: типичная величина детектирующей Классические фотоприемники для области средне- способности 5 · 108 cm · Hz-1/2 · W-1 [4] сравнима по го ИК диапазона (до 10.6 µm), такие как полупро- величине с детектирующей способностью неохлаждаеводниковые фотодиоды на основе соединений InSb, мых фотодиодов. Недостатком кристаллов TGS является Hg1-x CdxTe, обеспечивают высокие значения детекти- то, что они довольно хрупкие, гигроскопичны и имеют рующей способности D = 1010 cm · Hz-1/2 · W-1 лишь весьма низкую теплопроводность.

при криогенных температурах. Широко распростра- Пироэлектрический эффект может наблюдаться такненные фоторезисторы типа PbSe имеют D порядка же в неполяризованных материалах при приложении 108-109 cm · Hz-1/2 · W-1 с резким спадом в области к ним постоянного электрического поля. В этом слу = 4.5 µm, сдвигающимся с ростом температуры в чае говорят о так называемом индуцированном пообласть более коротких длин волн [2]. Недавно раз- лем пироэлектрическом эффекте, а детекторы излучеработанные в ФТИ им. А.Ф. Иоффе фотодиоды на ния, изготовленные из таких материалов, носят наоснове соединений A3B5, работающие при комнатной звание диэлектрических болометров (ДБ). По сравСегнетоэлектрики-релаксоры как материалы для ИК фотоприемников нению с классическими пироприемниками они обла- Результаты эксперимента дают несколько меньшей детектирующей способноПироэлектрический коэффициент p при постоянном стью (D = 2... 5 · 108 cm · Hz-1/2 · W-1 [5–12]), однако смещающем поле E определяется выражением [4,6,8] устойчивы к большим освещенностям и, что самое главное, модуляция излучения в них может быть замеE нена модуляцией приложенного поля. В связи с этим Ps (E, T) p + 0 dE, (1) = наблюдается растущий интерес к разработке материаT T лов для пироэлектрических детекторов ИК излучения, работающих в режиме диэлектрических болометров.

где Ps — спонтанная поляризация, — диэлектрическая В последнее время внимание исследователей припроницаемость среды, E — напряженность электричевлекают сегнетоэлектрики с размытым фазовым пеского поля, T — температура.

реходом (сегнетоэлектрики-релаксоры). Отличительной Первое слагаемое в правой части уравнения опредеособенностью релаксоров являются существование сегляет пироэлектрический коэффициент, который наблюнетоэлектрического перехода в широком диапазоне темдается в полярных материалах из-за наличия спонтанператур, а также возможность варьировать этот дианой поляризации Ps, а второй член определяет так пазон в широких пределах, изменяя состав материназываемый индуцированный пироэффект при наличии ала. К таким материалам, относятся в первую очесмещающего электрического поля в неполяризованных редь сегнетоэлектрик-релаксор PbMg1/3Nb2/3O3 (PMN) сегнетоэлектрических материалах. При амплитуде изи твердые растворы на его основе. Следует заметить, что менения температуры T пироэлектрического элемента в области размытого фазового перехода принципиально под воздействием излучения мощностью W (t), промоневозможно получить поляризованное состояние в отдулированного по закону W (t) =W0{1 + exp(it)}, выстуствие постоянного смещающего электрического поля, так как температура будет разориентировать возни- ражение для плотности пироэлектрического тока будет содержать компоненту с частотой кающее полярное направление. Таким образом, в таких материалах можно говорить только об индуцированном dT полем пироэлектрическом эффекте. Сам по себе этот J() =p = p · i T exp(it). (2) dt эффект еще недостаточно изучен, кроме того, правильное измерение пирокоэффициента представляет собой Таким образом, измеряя пироэлектрический ток в весьма сложную экспериментальную задачу. Основной образце и зная T, можно рассчитать значение пиротрудноcтью эксперимента является выделение слабого электрического коэффициента материала.

индуцированного пироэлектрического тока на фоне терДля сравнения пироэлектрических материалов принямостимулированных токов и токов утечки, возникающих то использовать следующие факторы качества [5–7]:

при приложении к образцам постоянного смещающего токовый поля. Кроме того, для достижения поставленной цели p Fi = [m · V-1], особенно важно исследовать материал в условиях, макcV симально приближенных к условиям работы детекторов по напряжению ИК излучения. Из многих существующих методов измерения пироотклика наиболее полно отвечает предъяв- p FV = [V · m · J-1], (3) ляемым требованиям модуляционный метод (или метод cV Чайновиса) и его модификации [4–6,13,14].

по шуму Целью данной работы является исследование пироэлектрического эффекта в типичном сегнетоэлектрикеp FD = [m3/2 · J-1/2], [Pa-1/2], релаксоре PMN-PT и оценка ожидаемых характеристик cV 0 tan детекторов ИК излучения на его основе. Для проведения где cV — теплоемкость, — диэлектрическая проницаэкспериментальных исследований сегнетоэлектриковрелаксоров была создана автоматизированная измери- емость, а tan — тангенс угла диэлектрических потерь материала.

тельная установка, позволяющая реализовать различные Таким образом, для сравнительного анализа характережимы возбуждения пиротока, выделять слабые токи ристик исследуемого материала применительно к задана фоне высокого постоянного напряжения, управлять параметрами зондирующего излучения и температурой чам использования для детектирования ИК излучения, образца в интервале 278-350 K [15]. Исследования про- измерялись пирокоэффицент, диэлектрическая прониводились на образцах твердых растворов магнониобата- цаемость и тангенс диэлектрических потерь в широтитаната свинца (PMN-PT). На основе измеренных ди- ком диапазоне температур и приложенного к образцу электрических и пироэлектрических свойств этих мате- постоянного внешнего напряжения. Контроль за фариалов были проведены расчеты их факторов качества в зовыми соотношениями между сигналом источника и сравнении с другими пироэлектрическими материалами детектируемым сигналом пиротока позволял выделить и ИК фотоприемниками. его на фоне других „паразитных“ сигналов.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. 74 С.Е. Александров, Г.А. Гаврилов, А.А. Капралов, Е.П. Смирнова, Г.Ю. Сотникова, А.В. Сотников элемента Пельтье с соответствующей схемой стабилизации температуры. Расчет пирокоэффициента по измеренной величине амплитуды пиротока проводился в соответствии с выражением (2). Точность расчета пирокоэффициента при однократном измерении составляла p 10-2 [10-4 Cm-2 · K-1] [15].

= Были измерены температурные зависимости индуцированного пиротока и вычислены значения пирокоэффициента в образцах сегнетолектрической керамики PMN-PT при различных внешних смещающих полях (рис. 1). Пирокоэффициент как функция приложенного электрического поля при температуре 300 K представлен на рис. 2. Полученные зависимости позволили определить оптимальный диапазон температур (293-325 K) и величины электрического поля (8-12 kV/cm), при которых достигаются максимальные величины пирокоэффициента, вплоть до p = 38 · 10-4 Cm-2 · K-1. В том же температурном интервале были проведены измереРис. 1. Температурные зависимости индуцированного пирокоэффициента для PMN-PT в различных смещающих электрических полях.

Рис. 3. Температурные зависимости факторов качества для релаксора PMN-PT.

Рис. 2. Индуцированный пирокоэффициент для керамики PMN-PT в зависимости от электрического поля при температуре 300 K.

Исследования проводились на образцах сегнетоэлектрической керамики PMN-PT диаметром 8 mm и толщиной до 400 µm, с электродами из вожженного серебра. В качестве источника модулированного излучения использовался светодиод типа ИРС-2-870-6 с длиной волны излучения 0.87 µm и мощностью излучения до 100 mW.

Пироэлектрический коэффициент измерялся в температурном диапазоне 278-350 K как наиболее интересном с точки зрения применений. Точность поддержания температуры составляла ±0.1 K. Регулиров- Рис. 4. Зависимость факторов качества керамики PMN-PT от ка температуры образца осуществлялась с помощью внешнего электрического поля при температуре 300 K.

Журнал технической физики, 2004, том 74, вып. Сегнетоэлектрики-релаксоры как материалы для ИК фотоприемников Таблица 1. Физические характеристики и коэффициенты качества некоторых пироэлектрических материалов при температуре 300 K Классические пироэлектрики Материалы для диэлектрических болометров TGS PZT PVDF BST, 1 V/µm PST, 15-35 V/µm PMN-PT, 1 V/µm p, 10-4 Cm-2 · K-1 2.8 3.8-4 0.25 8 1.5-4.5... 55 38 389-558 9 4000 10000 tan 0.01 0.012 0.03 0.005 < 0.007 0.cV, 106 J · m-3 · K-1 2.3 2.5 2.3 2.5 2.7 2.FV, V· m2 · J-1 0.36 0.028-0.038 0.14 0.01 0.025 0.Fi, 10-12 V-1 · m 120 - 11 320 2000 FD, 10-5 V · m3/2 · J-1/2 (Pa-1/2) 66 18.7-20.3 7 4 1.6-3.6 Литературные ссылки [9] [12] [9] [6] [8,10] Настоящая работа Таблица 2. Характеристики неохлаждаемых (300 K) детекторов среднего ИК диапазона Классические пироэлектрики Диэлектрические болометры Фоторезисторы Фотодиоды PZT BST PMN-PT PbSe InAs TGS PVDF (тонкая пленка) (тонкая пленка) 1V/µm Частота, Hz 500 500 5 60 5 1000 5 Размеры детектора диаметр D, mm 2.6 · 2.6 1 · 1 D = 8 2.24 · 0.36 D = 0.4 0.2 · 0.2 D = 8 0.2 · 0.толщина d, µm d = 400 d = 25 d = Спектральный 2... 4.5 3.3 4.3 4.7 Весь Весь Весь Весь Весь диапазон диапазон, µm диапазон диапазон диапазон диапазон RV, V · W-1 103... 102 200 15 4 1440 - 100 1200 151.2 Ri, 10-6 A · W-1 10-2... 10-3 106 0.3 - 0.44 - 3.75 D, 108 cm · Hz-1/2 · W-1 1... 0.2 150... 5 15 1.8 0.07 2.9 1.36 4.Литературные ссылки [2] [3] [1,9] [12] [9] [7] Настоящая работа ния относительной диэлектрической проницаемости и для других классических пироэлектрических материатангенса диэлектрических потерь исследуемых образ- лов и материалов, используемых для диэлектрических болометров. Следует отметить, что данные из табл. 1, цов [14]. Измерения проводились стандартным методом.

особенно в части, касающейся диэлектрических болоЭто позволило рассчитать значения факторов качества материала в соответствии с выражениями (3) и опреде- метров, можно использовать только для качественного сравнения, так как в литературе наблюдается больлить характер их зависимостей как от температуры, так шой разброс значений пироэлектрических коэффиции от внешнего электрического поля (рис. 3, 4).

Pages:     || 2 |



© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.