新型热释电材料及其光传感器研究

我国科学家最新发现的以PMNT单晶为代表的弛豫铁电单晶具有非常高的热释电材料性能，它们在紫外、可见、红外光探测技术中具有非常好的应用前景。本项目通过对新型弛豫铁电单晶固溶体的生长及其掺杂离子改性、单晶微结构（相和畴）、微观缺陷、表面形态的研究，以及晶体退火、减薄、表面处理、极化等后处理工艺对体材料热释电性能、介电性能、缺陷结构的影响，揭示单晶性能与结构的本质关系，有效控制材料的稳定性和均匀性，以期获得综合性能优异的器件级热释电材料。通过研究材料的均匀性、极薄晶片的尺寸效应和二次缺陷对多元器件性能和均匀性影响，探索新型弛豫铁电单晶型热释电光传感器制备中微弱电流提取电路的接口噪声机理和改进途径，从而解决高性能的紫外-可见-红外宽波段响应的非致冷光传感器制备工艺中的关键基础问题，并为基于新型弛豫铁电单晶的大规模非致冷焦平面光传感器自主创新研制奠定坚实的基础，促进我国光探测技术的迅速发展。

该项目针对新型热释电材料-弛豫铁电单晶生长、结构和性能优化、红外探测器设计、器件工艺，开展了深入系统的研究，有效降低单晶的介电损耗、提高热释电性能的温度稳定性，并根据弛豫铁电单晶的性能，设计和制备了高性能红外探测器，完成了项目规定的研究任务，取得了如下主要成果：在国际上首先研制出了高热释电性能Mn掺杂PMNT单晶、PIMNT单晶、Mn掺杂PIMNT单晶，并解决了Ф50×70mm3弛豫铁电单晶规模化生长技术，为大规模红外焦平面器件的研制提供了材料保障。发现Mn掺杂可以将弛豫铁电单晶介电损耗从0.3%降至0.05%，从而将单晶探测优值因子Fd从15×10-5Pa-1/2大幅升高至40.2×10-5Pa-1/2；提出了掺杂晶体结构中的偶极缺陷模型，揭示了Mn掺杂单晶降低介电损耗的物理机制。发现了新型高性能热释电PIMNT弛豫铁电单晶，可以将单晶居里温度提高40度，矫顽场提高1倍，提高了热释电晶片加工温度、以及红外探测器性能的温度稳定性。揭示了弛豫铁电单晶损耗、厚度、频率对红外探测器探测率的影响规律，设计弛豫铁电单晶红外探测器的结构，并优化了弛豫铁电单晶红外探测器的制备工艺，在国际上率先合作研制出探测率D*高达1.07×109 cmHz1/2/W的高性能单元红外探测器。解决了大尺寸低损伤超薄弛豫铁电晶片处理工艺，获得了多元热释电芯片；设计了热释电焦平面器件正负向信号叠加读取电路，在国际上首次实现了8元PMNT焦平面器件，响应率达到了687000 V/W。在突破了大尺寸晶体、超薄晶片器件工艺、及专用读出电路的基础上，演示了128元焦平面阵列器件。