熱釋電鉭酸鋰薄膜紅外探測器原理和制備研究.pdf

1、紅外探測器是紅外系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。近年來，非致冷紅外探測器成為紅外探測研究的重點(diǎn)，對非致冷紅外探測器敏感薄膜和器件的制備研究具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。采用減薄鉭酸鋰晶體材料可以制備非致冷的熱釋電紅外探測器，但體材料器件的研制受到工藝、幾何尺寸和成品率等諸多限制，而薄膜材料器件卻在熱釋電應(yīng)用方面顯示了特殊優(yōu)勢。本課題在國家自然科學(xué)基金的支持下，四年前開始了對熱釋電鉭酸鋰薄膜及其紅外探測器的探索研究。用溶膠—凝膠法制備了性能良好的熱釋電鉭酸鋰(Li

2、TaO3)薄膜，測試了薄膜性能；制備了國內(nèi)外尚無報(bào)道的新型鉭酸鋰(LiTa3O8)薄膜，并結(jié)合MEMS工藝制備了紅外探測單元器件；另外，利用MATLAB軟件對探測器多層結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)和探測率等作了仿真模擬研究，為熱釋電紅外探測器設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。具體研究內(nèi)容和主要結(jié)果如下： 1．利用一維縱向穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)泊松方程和器件的實(shí)用邊界條件，建立了多層膜系構(gòu)成的熱釋電鉭酸鋰敏感膜紅外探測器的理論模型，深入討論了探測器結(jié)構(gòu)參數(shù)與探測器性能的聯(lián)系，

3、用MATLAB軟件，模擬計(jì)算了在正弦調(diào)制的紅外輻射下鉭酸鋰薄膜紅外探測器的溫度分布，從理論上分析了橫向熱擴(kuò)散對探測器性能的影響；計(jì)算了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)探測器的電壓響應(yīng)Rv和星探測率D*等性能指標(biāo)的理論值，為器件結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了依據(jù)。 2．熱釋電鉭酸鋰薄膜制備工藝是鉭酸鋰薄膜紅外探測器器件制備的關(guān)鍵。采用溶膠—凝膠(Sol—Gel)法，利用多種溶膠配方，在多種襯底上制備了均勻、平整、無裂紋的性能良好的鉭酸鋰LiTaO3薄膜。對制備

4、薄膜的晶相、表面形貌、介電性能、鐵電性能等作了測試，比較了所得薄膜的性能。特別研究了TiN、Pt、ITO等底電極對Sol—GelLiTaO3薄膜結(jié)晶及電學(xué)性能的影響。 3．鉭酸鋰薄膜的漏電大小和抗擊穿性能決定了鉭酸鋰薄膜器件制備的成敗。鉭酸鋰敏感膜的極化，要求薄膜有較好的介電性能，理論分析認(rèn)為：提高鉭酸鋰薄膜的Ta/Li比，有助于遏制成膜過程中Li的析出，從而降低鉭酸鋰薄膜的漏電，提高薄膜在極化時(shí)的抗擊穿性能。論文嘗試用組份比為

5、Li+：Ta5+=1：3的鉭酸鋰溶膠配方，用溶膠—凝膠法和快速熱退火工藝在Pt襯底上制備了新型鉭酸鋰薄膜。為了對比研究，分別以Ta2O5和Li2CO3粉體為原料用固相反應(yīng)燒結(jié)法制備了LiTa3O8陶瓷，和以乙醇鋰、乙醇鉭為原料用溶膠—凝膠法制備了LiTaO3粉體，用LiTaO3粉體與Ta2O5粉體混合燒結(jié)獲得LiTa3O8陶瓷。XRD晶向測試發(fā)現(xiàn)：新制備的LiTa3O8陶瓷與Pouchard在1330℃燒結(jié)的LiTa3O8陶瓷粉體一樣具

6、有正交相結(jié)構(gòu)；新制備的鉭酸鋰薄膜與制備的陶瓷粉體結(jié)構(gòu)吻合；確認(rèn)了該新制備的薄膜為LiTa3O8薄膜并具有正交相結(jié)構(gòu)。測試了新制備的LiTa3O8和LiTaO3薄膜的鐵電、介電、漏電和熱釋電特性。在同樣制備和測試條件下，LiTa3O8薄膜的剩余極化強(qiáng)度比LiTaO3薄膜大，漏電明顯減小，提高了抗擊穿性能。用自制的熱釋電系數(shù)測量系統(tǒng)，對新制備的LiTa3O8薄膜樣品進(jìn)行了熱釋電系數(shù)測試，結(jié)果顯示LiTa3O8薄膜熱釋電系數(shù)約為14.07μC

7、/m2K，比LiTaO3薄膜熱釋電系數(shù)122.80μC/m2K小。 4．采用硅襯底背腐懸空結(jié)構(gòu)，分別制備得到LiTaO3薄膜和LiTa3O8薄膜紅外探測單元器件，測試了器件熱電響應(yīng)性能。詳細(xì)介紹了基于MEMS技術(shù)和溶膠凝膠工藝的LiTaO3薄膜和LiTa3O8薄膜紅外探測單元器件制備工藝。以機(jī)械斬波調(diào)制的黑體爐為基礎(chǔ)，組建了熱釋電紅外探測器動(dòng)態(tài)響應(yīng)測試系統(tǒng)，在調(diào)制頻率10～1000Hz范圍內(nèi)對LiTaO3和LiTa3O8薄膜單元

8、器件的信號電壓、噪聲電壓進(jìn)行了測試，根據(jù)黑體輻射到達(dá)探測器表面的能流密度，計(jì)算了探測器的電壓響應(yīng)、等效噪聲功率和星探測率。對溶膠—凝膠制備的鉭酸鋰LiTaO3敏感膜、硅襯底背腐懸空結(jié)構(gòu)的單元探測器，在斬波調(diào)制頻率100Hz時(shí)，電壓響應(yīng)Rv達(dá)到最大值6.30×103V/W，測量誤差為5％，星探測率D*達(dá)到最大值8.86×107cmHz1/2/W，測量誤差為13％；對比研究LiTa3O8薄膜、硅襯底背腐懸空結(jié)構(gòu)的單元探測器件，在100Hz，