锆钛酸铅与铌酸钾钠铁电材料中子和伽马辐照效应及损伤机理研究

For electronic systems working in radioactive environments as the space, reactors, or a nuclear explosion, semiconductor devices are bottlenecks for the enhancement of radiation resistence, because both the interface state and minority carrier lifetime are sensitive to radiation damage. A ferroelectric material depends on the response of domains' polarizations and is comparative tolerant towards radiation defects, which is an ideal alternative of semiconductors for electronic device applications in radioactive circumstances. While the irradiation effects and damage mechanism are not enough for ferroelectric materials, typical compositions of Pb(Zr,Ti)O3 and (K,Na)NbO3, two typical ferroelectric materials with notably different atomic numbers, are adopted in this program for investigation, including instantaneous current/voltage response induced by neutron and gamma irradiation, the relation between radiation fluence and the degeneration of ferroelectric and piezoelectric properties, the damage threshold fluence, and damage mechanism by characteriation of microscopic defects and structures. The research results are fundamental for development of radiation resistance ferroelectric devices.

半导体的界面态和少数载流子寿命都对辐照损伤缺陷敏感，这就决定了半导体器件是空间、反应堆及核爆炸辐照环境工作的电子系统抗辐射性能提升的瓶颈。铁电材料以电畴极化状态响应为工作机理，相对受辐射损伤的影响较小，是替换半导体用于辐射环境下电子器件研制的一个理想选择。然而，关于铁电材料的辐射效应和辐射损伤机理的研究还很不充分，本项目以原子序数差异显著的两类典型铁电材料体系--Pb(Zr,Ti)O3和(K,Na)NbO3为对象，对这两个体系中典型组分的辐照效应和损伤机理进行研究，包括中子和伽马辐照下引起的瞬态电压/电流响应，其铁电、压电等性能退化与辐射强度的关系，确定其辐射损伤阈值，通过微观缺陷及结构状态表征研究其微观损伤机理。研究获得的结果是研制抗辐射铁电器件的基础。

铁电材料以微观电畴极化状态随外界作用的响应为工作原理，具有优于传统半导体的抗辐射性能，具有作为电子器件用于辐射环境下的潜力。然而关于铁电材料的辐射效应的理论和实验研究非常有限，制约了铁电材料在辐射环境下的性能评估和器件开发。铁电材料的辐照效应主要表现在两个方面，一是由于铁电材料的热释电效应将强中子/伽马沉积能量引起的温升转换为瞬时的电信号，二是由于中子/伽马累积辐照效应引起的材料性能变化。该项目开展了铁电材料样品制备和以上两个方面的辐照效应研究：.（1）考虑到非化学计量配比的材料与经过辐照后的材料都具有空位缺陷，因此制备了具有不同A/B离子比例铁电材料研究了不同空位缺陷状态对性能的影响，为后续铁电材料的核辐射改性提供了参考。.（2）在瞬时辐照效应研究方面，通过理论研究和实验验证相结合的方法研究了不同铁电材料辐照响应性能，以探索铁电材料用于强脉冲中子场波形探测的可行性。在理论研究中，通过输运方法计算了CFBR-II堆泄漏中子/伽马在典型铁电材料中的能量沉积状况，并结合材料性能和电路参数获得了电学响应信号理论表达式，获得了相应铁电材料用于核辐射探测的性能；利用优选的铁电材料开展了脉冲辐照瞬态实验，结果成功验证了理论模型，也证实了铁电中子探测器的技术可行性。.（3）铁电材料累积辐照效应主要表现为压电、介电性能的退化和机械品质因数的提升，研究还首次发现伽马辐照能提升实验中铌酸钾钠体系的相变温度，基于上述认识提出并证实了中子或伽马辐照具有用于改善部分铁电材料性能的潜力。另外，还基于等效介质近似理论和朗道理论提出了铁电材料辐照损伤对宏观电学性能影响的模型，该模型与文献中较高中子注量下铁电材料辐照损伤实验规律一致。.综上所述，该项目达到了预期目标，并为后续铁电核辐射探测器研制、铁电材料的辐射改性提供了参考。