熱釋電晶體

熱釋電晶體（pyroelectriccrystals）

具有熱釋電效應的晶體稱為熱釋電晶體。熱釋電晶體除要求結構上不具有對稱中心之外，還要求具有自發極化。因此，只有屬於十種點羣對稱性（即1，2，2m，2mm，4，4mm，3，3m，6，6mm）的晶體才可能具有熱釋電效應。

熱釋電晶體是一類具有優良的熱釋電性能，並能製作實用的光輻射（或熱輻射）測量器件的晶體材料。利用晶體的熱釋電效應，可以製造紅外熱釋電探測器、紅外熱釋電攝象管等。

熱釋晶體大多是一些鐵電極性晶體，由於器件性能要求很薄的晶片，因而加工製作工藝較複雜。近年來曾發現一些鐵電陶瓷和高電壓下極化的鐵電有機薄膜亦具有熱釋電性能，並被用以製作熱釋電器件。與這些材料相比，熱釋電晶體性能穩定可靠，探測靈敏度高。 ^[1] 

黑夜中明亮的眼睛——熱釋電晶體

在漫漫黑夜伸手不見五指的時候，人們多麼希望有一雙可以透視黑夜的眼睛，可以洞察萬物；特別是巡邏邊疆的軍人，是如何急切地需求能洞察夜幕下可能發生的一切。在現代科技條件下，人們早就發展了高超的夜視技術，在夜視技術中扮演主角的，就是一種重要的功能晶體——熱釋電晶體。

科學研究表明，一切發熱的物體都會輻射出一種人眼看不見的波長大於760微米的紅外線。各種物體（包括人體）由於本身温度和發射紅外線的本領不一樣．實際發射的紅外線波長和強度不一樣。在黑夜中，這樣的紅外

線輻射已經勾畫出夜幕掩蓋下的生動世界。我們可以用熱釋電晶體成像管配以高超的電子、圖像技術，在人們的眼前顯現出周圍的一切，為人們在夜幕中裝上了明亮的眼睛。

極性晶體由於温度變化而發生電極化現象，稱為熱釋電效應，具有熱釋電效應的晶體是熱釋電晶體。產生熱釋電的原因是由於在晶體中存在着自

不能及時得到補償時,兩端會產生符號相反的電荷，冷卻時，兩端的電荷符號會發生改變。同樣,產生電荷的晶體也可能產生紅外線。因此，有些熱釋電材料，如天然存在礦物電氣石晶體就是最早被人們發現的熱釋電晶體之一,就被作為能發射紅外線的材料而廣泛應用，成為有利於增進人類健康的一類保健產品的原料。由電氣石添加的織物能有效地促進和改善微循環，目前國內外對此的需求日增。

利用晶體的熱釋電效應可以製作各種探測器件，除夜視外，還可做體温計、輻射測量計，紅外熱像儀可以做醫療診斷，導彈前面安裝的紅外致導裝置成為導彈緊盯目標的“殺手鐧”，熱釋電晶體的用途不可謂不廣。 ^[2] 

極性晶體因温變變化而發生電極化改變的現象稱為熱釋電效應。熱釋電效應的原因是由於晶體中存在着自發極化，温度變化時自發極化也發生變化，當温度發生變化時所引起的電偶極矩不能及時被補償時，自發極化就能表現出來。晶體中温度發生了微小變化ΔT，則極化矢量P的改變可表達為ΔP_i =P_iΔT，P_i為熱釋電係數，是熱釋電晶體的主要參數，晶體的熱釋電效應P是矢量描述，一般有三個分量。

熱釋電效應與温度變化有關，温度是一個標量，熱釋電效應要用矢量來描述。因此，只有在非對稱中心的壓電晶體中某些具有極軸的晶類才可能具有熱釋電性質。因為在非極軸方向，正負電荷的產生會相互中和。在32個晶體點羣中，只有10種極性晶體類別才是熱釋電晶類。所謂極性晶體是指晶體的極軸和晶向一致的晶體。

具有對稱中心的晶體不可能具有熱釋電效應，而在20類壓電晶體中，也只有某些有特殊極軸方向的晶體才具有熱釋電性質，故只有10種極性晶類才是熱釋電品類，即1、2、m、2mm、3、3m、4、4mm、6、6mm。所謂極性晶體是指極軸和晶向相一致的晶體。 ^[3] 

利用熱釋電效應可以製作各種探測器件，得到性能良好的紅外敏感器件，其對熱釋電材料的要求除了熱釋電係數大以外，還要求晶體對紅外線的吸收大，熱容量小，介電常數和介電損耗少，密度小，易加工成薄片，相應的居里點T_c要高，在工作條件下不退極化等。

有熱釋電效應的材料超過千種，但真正符合應用的只有幾種。其中硫酸三甘肽（TGS）、鉭酸鋰（LiTaO₃）、鈮酸鍶鋇（SBN）、鈦酸鉛（PbTiO₃）和聚偏氟乙烯（PVF₂）是最重要的幾種。

（1）硫酸三甘肽或稱三甘氨酸硫酸鹽，是一類最重要最常用的熱釋電品體，其分子式為（NHCHCOOH）₃·H₂SO₄簡稱TGS。是由甘氨酸和硫酸以3：1的摩爾比例配製成飽和水溶液，然後用降温生長獲得，較容易得到大的優質單品體。具結構屬單料晶系，C₂-2點羣，空間羣P2₁，居里點温度大約為49℃，高於T_c不存在熱釋電效應，此時b軸為極性軸。TGS是典型的二級相變鐵電體，通常鐵電體需極化才具有熱釋電性質。

TCS晶體的電極化強度P大，相對介電常數ε小，故材料優質因子也大,是一種重要的熱釋電探測器材料。垂直b軸存在解理面，方便器件的製作。這類晶體主要缺點是易吸潮，機械強度差，以及存在退極化現象。但採用密封封裝可以避免材料受潮。為進一步提高TCS的熱釋電性質，特別是提高其居里點，防止退極化，採用在重水中培養或摻人有益雜質的方法生長TCS晶體。TCS還有幾種相同結構的晶體，如三甘氨酸硒酸鹽（TGSe）和三甘氨酸氟彼酸鹽（TC-FB）等。

（2）氧化物熱釋電晶體氧化物熱釋電晶體，可在高温下用提拉法生長，獲得高質量的單晶，生長速度比水溶液法生長快。品體物化性質穩定，機械強度高，但生長設備較複雜。已得到實際應用的晶體有兩種。

1）鉭酸鋰（LiTaO₃）。屬三方晶系，c軸是極軸，具有鈣鈦礦的ABO₃晶格結構。T_c為620℃，不易退極化。因為T_c高，故在很寬温度範圍裏優質程度都較高，且變化不大，適合製作工作温度範圍大的高穩定性器件。其介電損耗可低於2x10^-4，又是高歸一化探測度的熱釋電探測器材料。

2）鈮酸鍶鋇晶體（Srl_1-xBa_xNb₂O₆）。屬鎢青銅結構。與LiTaO₃相比，雖然電極化大，但介電常數也大，品質因子不高，適合做小面積或多元器件。摻人少量La₂O₃或Nd₂O₃可克服其退極化的問題。

3）其他晶體。有鈦酸鋇（BaTiO₃）和鈦酸鉛（PbTiO₃）和鍺酸鉛（Pb₅Ge₃O₁₁）等單晶。 ^[3] 

科學研究表明，物體發熱時均會產生一種肉眼看不見的光線，稱為紅外光線。其波長範圍在0.76～1000微米之間。在通常情況下，一切發熱的物體都會輻射出紅外線，人體也不例外。利用熱釋電晶體做成的熱釋電元件，再配以電子、機械等元件就可以製作紅外夜視儀。它的神通可大了。

有些人工晶體具有十分奇特的功能。熱釋電晶體就是其中的一類。有些晶體在受熱時，其兩端會產生符號相反的電荷，冷卻時其兩端電荷的符號便逆轉。這類晶體稱為熱釋電晶體。碲鎘汞晶體是這類熱釋電晶體中的一種。