[科普中国]-热释电晶体

热释电晶体（pyroelectric crystals）

具有热释电效应的晶体。当电晶体受温度变化而出现自发极化强度的相应变化，在一定方向产生表面电荷的现象称为热释电效应。热释电晶体分为有线热释电体和铁电体两类，前者的自发极化方向不随外电场而改变，如ZnO、Cds和电气石等；后者的自发极化方向可随外加电场的反向而反向，如BaTiO3、LiTaO3、 TGS（硫酸酣肽）等。在所有32个点群的晶体中，只有10个极性点群的晶体具有热释电效应。热释电晶体主要用于制作各类热释电红外探测器。

简介热释电晶体（pyroelectriccrystals）

具有热释电效应的晶体称为热释电晶体。热释电晶体除要求结构上不具有对称中心之外，还要求具有自发极化。因此，只有属于十种点群对称性（即1，2，2m，2mm，4，4mm，3，3m，6，6mm）的晶体才可能具有热释电效应。

热释电晶体是一类具有优良的热释电性能，并能制作实用的光辐射（或热辐射）测量器件的晶体材料。利用晶体的热释电效应，可以制造红外热释电探测器、红外热释电摄象管等。

热释晶体大多是一些铁电极性晶体，由于器件性能要求很薄的晶片，因而加工制作工艺较复杂。近年来曾发现一些铁电陶瓷和高电压下极化的铁电有机薄膜亦具有热释电性能，并被用以制作热释电器件。与这些材料相比，热释电晶体性能稳定可靠，探测灵敏度高。1

夜视黑夜中明亮的眼睛——热释电晶体

在漫漫黑夜伸手不见五指的时候，人们多么希望有一双可以透视黑夜的眼睛，可以洞察万物；特别是巡逻边疆的军人，是如何急切地需求能洞察夜幕下可能发生的一切。在现代科技条件下，人们早就发展了高超的夜视技术，在夜视技术中扮演主角的，就是一种重要的功能晶体——热释电晶体。

科学研究表明，一切发热的物体都会辐射出一种人眼看不见的波长大于760微米的红外线。各种物体（包括人体）由于本身温度和发射红外线的本领不一样．实际发射的红外线波长和强度不一样。在黑夜中，这样的红外
线辐射已经勾画出夜幕掩盖下的生动世界。我们可以用热释电晶体成像管配以高超的电子、图像技术，在人们的眼前显现出周围的一切，为人们在夜幕中装上了明亮的眼睛。

极性晶体由于温度变化而发生电极化现象，称为热释电效应，具有热释电效应的晶体是热释电晶体。产生热释电的原因是由于在晶体中存在着自

不能及时得到补偿时,两端会产生符号相反的电荷，冷却时，两端的电荷符号会发生改变。同样,产生电荷的晶体也可能产生红外线。因此，有些热释电材料，如天然存在矿物电气石晶体就是最早被人们发现的热释电晶体之一,就被作为能发射红外线的材料而广泛应用，成为有利于增进人类健康的一类保健产品的原料。由电气石添加的织物能有效地促进和改善微循环，目前国内外对此的需求日增。

利用晶体的热释电效应可以制作各种探测器件，除夜视外，还可做体温计、辐射测量计，红外热像仪可以做医疗诊断，导弹前面安装的红外致导装置成为导弹紧盯目标的“杀手锏”，热释电晶体的用途不可谓不广。2

热释电效应极性晶体因温变变化而发生电极化改变的现象称为热释电效应。热释电效应的原因是由于晶体中存在着自发极化，温度变化时自发极化也发生变化，当温度发生变化时所引起的电偶极矩不能及时被补偿时，自发极化就能表现出来。晶体中温度发生了微小变化ΔT，则极化矢量P的改变可表达为ΔPi =PiΔT，Pi为热释电系数，是热释电晶体的主要参数，晶体的热释电效应P是矢量描述，一般有三个分量。

热释电效应与温度变化有关，温度是一个标量，热释电效应要用矢量来描述。因此，只有在非对称中心的压电晶体中某些具有极轴的晶类才可能具有热释电性质。因为在非极轴方向，正负电荷的产生会相互中和。在32个晶体点群中，只有10种极性晶体类别才是热释电晶类。所谓极性晶体是指晶体的极轴和晶向一致的晶体。

具有对称中心的晶体不可能具有热释电效应，而在20类压电晶体中，也只有某些有特殊极轴方向的晶体才具有热释电性质，故只有10种极性晶类才是热释电品类，即1、2、m、2mm、3、3m、4、4mm、6、6mm。所谓极性晶体是指极轴和晶向相一致的晶体。3

几种典型热释电晶体利用热释电效应可以制作各种探测器件，得到性能良好的红外敏感器件，其对热释电材料的要求除了热释电系数大以外，还要求晶体对红外线的吸收大，热容量小，介电常数和介电损耗少，密度小，易加工成薄片，相应的居里点Tc要高，在工作条件下不退极化等。

有热释电效应的材料超过千种，但真正符合应用的只有几种。其中硫酸三甘肽（TGS）、钽酸锂（LiTaO3）、铌酸锶钡（SBN）、钛酸铅（PbTiO3）和聚偏氟乙烯（PVF2）是最重要的几种。

（1）硫酸三甘肽或称三甘氨酸硫酸盐，是一类最重要最常用的热释电品体，其分子式为（NHCHCOOH）3**·**H2SO4简称TGS。是由甘氨酸和硫酸以3：1的摩尔比例配制成饱和水溶液，然后用降温生长获得，较容易得到大的优质单品体。具结构属单料晶系，C2-2点群，空间群P21，居里点温度大约为49℃，高于Tc不存在热释电效应，此时b轴为极性轴。TGS是典型的二级相变铁电体，通常铁电体需极化才具有热释电性质。

TCS晶体的电极化强度P大，相对介电常数ε小，故材料优质因子也大,是一种重要的热释电探测器材料。垂直b轴存在解理面，方便器件的制作。这类晶体主要缺点是易吸潮，机械强度差，以及存在退极化现象。但采用密封封装可以避免材料受潮。为进一步提高TCS的热释电性质，特别是提高其居里点，防止退极化，采用在重水中培养或掺人有益杂质的方法生长TCS晶体。TCS还有几种相同结构的晶体，如三甘氨酸硒酸盐（TGSe）和三甘氨酸氟彼酸盐（TC-FB）等。

（2）氧化物热释电晶体氧化物热释电晶体，可在高温下用提拉法生长，获得高质量的单晶，生长速度比水溶液法生长快。品体物化性质稳定，机械强度高，但生长设备较复杂。已得到实际应用的晶体有两种。

1）钽酸锂（LiTaO3）。属三方晶系，c轴是极轴，具有钙钛矿的ABO3晶格结构。Tc为620℃，不易退极化。因为Tc高，故在很宽温度范围里优质程度都较高，且变化不大，适合制作工作温度范围大的高稳定性器件。其介电损耗可低于2x10-4，又是高归一化探测度的热释电探测器材料。

2）铌酸锶钡晶体（Srl1-xBaxNb2O6）。属钨青铜结构。与LiTaO3相比，虽然电极化大，但介电常数也大，品质因子不高，适合做小面积或多元器件。掺人少量La2O3或Nd2O3可克服其退极化的问题。

3）其他晶体。有钛酸钡（BaTiO3）和钛酸铅（PbTiO3）和锗酸铅（Pb5Ge3O11）等单晶。3

热释电晶体的应用科学研究表明，物体发热时均会产生一种肉眼看不见的光线，称为红外光线。其波长范围在0.76～1000微米之间。在通常情况下，一切发热的物体都会辐射出红外线，人体也不例外。利用热释电晶体做成的热释电元件，再配以电子、机械等元件就可以制作红外夜视仪。它的神通可大了。

有些人工晶体具有十分奇特的功能。热释电晶体就是其中的一类。有些晶体在受热时，其两端会产生符号相反的电荷，冷却时其两端电荷的符号便逆转。这类晶体称为热释电晶体。碲镉汞晶体是这类热释电晶体中的一种。

本词条内容贡献者为:

曹慧慧 - 副教授 - 中国矿业大学