近日，湖北大学与新加坡科技研究局材料研究与工程研究所合作，在无铅热释电材料研究领域取得新进展，相关成果以“Enhanced Pyroelectric Response in Quenched BNT-Based Lead-Free Ferroelectrics for Uncooled Infrared Detection”为题，发表于国际权威期刊《Advanced Functional Materials》。该研究为解决无铅铁电陶瓷热释电性能的关键瓶颈问题提供了新思路，为高性能环境友好型红外探测器的开发奠定了重要基础。
图1.(a)已淬火BNT-Fe/Mn-NBT陶瓷样品沿[001]晶向的带有极化矢量映射的HAADF-STEM图像；(b)极化矢量幅度谱；(c)极化矢量相位谱；(d)图(a)中A位离子间距统计映射；(e)图(a)中B位离子间距统计映射；(f)已淬火BNT-Fe/Mn-NBT陶瓷样品沿[001]晶向晶体结构图。
热释电红外探测器通过感知红外辐射温度变化产生电荷信号，在红外成像、安防监控、智能家居等领域具有广泛应用。然而，传统含铅材料（如PZT）存在环境污染问题，而现有的无铅BNT基材料长期受限于室温热释电系数（proom）和退极化温度（Td）之间的相互制约，难以兼顾高灵敏度和高温稳定性。研究团队通过对BNT-Fe/Mn-NBT铁电陶瓷进行淬火处理，系统研究了其微观结构演变与性能调控机制。研究发现，淬火工艺可精准调控材料中的A/B位原子位移和氧空位分布，显著增强晶格畸变并提升热释电响应；同时，氧空位诱导的非均匀随机场有效抑制了铁电退极化，大幅提高了材料的热稳定性。最终，优化后的材料表现出优异的综合性能：室温热释电系数高达13.8×10−4C m−2K−1，退极化温度提升至155°C。基于该材料制备的红外探测器核心性能指标达到国际先进水平：电压响应度：5906 V W⁻¹，噪声等效功率：2.0×10⁻⁹ W Hz⁻¹/²，探测率1.8×10⁸ cm Hz¹/² W⁻¹。
图2.(a)BNT-Fe/Mn-NBT陶瓷样品热释电系数随温度变化的曲线；BNT-Fe/Mn-NBT陶瓷样品的优值因子（FOMs）：(b)Fd、(c)Fv、(d)Fi；(e)未淬火和已淬火BNT-Fe/Mn-NBT陶瓷样品的综合热释电性能对比图；(f)已淬火BNT-Fe/Mn-NBT陶瓷样品与典型的铅基及无铅热释电陶瓷的热释电性能对比图。
该研究不仅揭示了淬火工艺对无铅铁电材料性能的调控机制，还为设计新一代高性能、无铅化热释电红外探测器提供了理论指导，在军事侦查、环境监测、智能传感等领域具有广阔应用前景。湖北大学微电子学院沈孟副教授为论文第一作者，胡永明教授、张清风教授、陈勇教授与新加坡科技研究局姚奎教授共同担任通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金和新加坡科技研究局RIE2020计划的资助，彰显了我校在国际科研合作与前沿材料研究中的影响力，标志着我校在功能材料与器件研究领域迈出重要一步。
论文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202423055
（审稿：王晓玲）
