МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПИРОЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ МАТЕРИАЛ Российский патент 1997 года по МПК C30B29/22 

Изобретение относится к монокристаллическому пироэлектрическому материалу, содержащему оксид сурьмы, оксид ниобия и оксид никеля в качестве основы и может быть использован в области пироэлектричества, в частности при изучении быстро меняющихся тепловых процессов, в аппаратуре для спектральных исследований, в приборах тепловидения, а также в системах автоматического регулирования температуры.

Известен пироэлектрический материал на основе триглицинсульфата [1 2] Основным недостатком такого материала является то, что он работает в узком интервале температур (-100 + 45^oC) и имеет большую зависимость пироэлектрического коэффициента от температуры. Известен пироэлектрический материал на основе титаната бария. Основным недостатком этого материала является низкая пироэлектрическая добротность, небольшой пироэлектрический коэффициент и узкий рабочий интервал температур [3]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является нелинейный пироэлектрический материал на основе монокристаллов ортониабата сурьмы (SbNbO₄) [4] Указанный материал кристаллизуется в ромбической сингонии, имеет точку Кюри 400 ± 10^oC, пироэлектрический коэффициент порядка 100 ед. СГСЕ и добротность СГСЕ (где M добротность, g пироэлектрический коэффициент, e диэлектрическая проницаемость).

Пироэлектрический коэффициент такого материала достаточно высок, однако при изучении быстро меняющихся тепловых процессов и в приборах ночного и дневного тепловидения в настоящее время требуются рабочие элементы различной чувствительности, т.е. имеющие более высокие пирокоэффициенты при различных температурах сегнетоэлектрического фазового перехода и более высокую добротность.

Техническим результатом, на достижение которого направлено изобретение, является увеличение пирокоэффициента и добротности, а также снижение температуры сегнетоэлектрического фазового перехода.

Технический результат достигается тем, что в известный пироэлектрический материал, в состав которого входит оксид сурьмы и оксид ниобия, дополнительно вводят оксид никеля, при этом содержание всех указанных ингредиентов должно быть в следующих соотношениях, мас.):
Оксид сурьмы 49 53
Оксид ниобия 47 49
Оксид никеля 0,4 1,8
В указанном материале соотношение исходных компонентов с дополнительным введением оксида никеля обеспечивают повышение пирокоэффициента и добротности, а также снижение сегнетоэлектрического фазового перехода, что в совокупности сильно повышает чувствительность предложенного материала в качестве рабочего элемента в различных пироэлектрических устройствах. При этом введение NiO в известный материал приводит к получению нового неожиданного результата.

Процесс получения пироэлектрического материала осуществляют следующим образом. В реактор, изготовленный из специального коррозионного материала и выдерживающий высокие температуры и давления, загружают исходные ингредиенты Sb₂O₃, Nb₂O₅, NiO, взятые в соотношениях, мас. Sb₂O₃ 49-53; Nb₂O₅ 47-49; NiO-0,4-1,8. Затем в реактор заливают водный раствор нейтральной соли (например, KHF₂) и перекись водорода для растворения исходных ингредиентов в процессе эксперимента. Подготовленный таким образом реактор герметически закрывают и помещают в печь сопротивления, где его нагревают до 500-550^oC, вследствие чего в нем создается давление за счет расширения жидкой фазы, которое достигает 1200-1400 ат. Температурный градиент, необходимый для создания пересыщения в реакторе, а следовательно, и для кристаллизации материала, поддерживают равным 1,2 град/см. Время проведения эксперимента от 12 до 16 суток. Процесс образования монокристаллического материала протекает по следующей схеме: растворение исходных ингредиентов Sb₂O₃, Nb₂O₅, NiO массоперенос их в зону кристаллизации за счет температурного градиента образование монокристаллического материала. Процесс получения материала по этой схеме протекает непрерывно до того времени, пока не израсходуются исходные ингредиенты. Выход материала определяется основными параметрами эксперимента и объемом используемых реакторов.

Состав полученного материала был подтвержден методом рентгенофазового анализа. Как правило, в зависимости от соотношения исходных ингредиентов результаты рентгеновского анализа следующие:
Sb₂O₃ 49; Nb₂O₅ 47; NiO 0,4
Sb₂O₃ 53,0; Nb₂O₅ 49,0; NiO 1,8
Как видно из результатов анализа, оксид никеля входит в структуру SbNbO₄ в количестве 0,4-1,8 мас.

Полученный материал в зависимости от количества введенного оксида никеля имел следующие характеристики (см. таблицу).

На рис. 1 изображена температурная зависимость e (диэлектрическая проницаемость); на рис. 2 температурная зависимость пирокоэффициента материала, легированного добавкой оксида никеля в количестве 1,8 мас. Как видно из рис. 1 и 2 значение пирокоэффекциента и добротности () для легированного материала в интервале температур 180 + 180^oC составляют 155 и 1,1 СГСЕ. Таким образом, предложенный материал имеет следующие преимущества перед известными:
Чистый SbNbO₄ Легированный SbNbO₄ (например 1,8 мас.)
e180 e140
g100 ед. СГСЕ g155 ед. СГСЕ
СГСЕ М=1,1 ед. СГСЕ
Как видно из сравнительных данных, у легированного материала возрастают как величина пирокоэффициента, так и добротность, что очень важно для использования разработанного материала в качестве рабочего элемента в пироэлектрических приемниках излучения, обеспечивающих высокую чувствительность и линейность преобразования приемника в широком измерении потоков излучений и интервале рабочих температур.

С другой стороны, сравнительно невысокий сегнетоэлектрический фазовый переход (218 232^oC) позволяет использовать материал при невысоких температурах, что также важно при регистрации быстро меняющихся в незначительных температурных интервалах тепловых режимов.

Пример 1. Исходные ингредиенты Sb₂O₃, Nb₂O₅, NiO, взятые в массовом соотношении 49, 47 и 0,4 соответственно, загружают на дно реактора, куда заливают водный раствор бифторида калия (KHF₂) и перекиси водорода (H₂O₂). Реактор герметизируют и нагревают до 550^oC, вследствие чего в нем создается давление жидкой фазы до 1200 ат. Температурный градиент составляет 1,2 град/см. Время выдержки эксперимента 10 14 суток. При данных технологических параметрах происходит кристаллизация монокристаллического пироэлектрического материала.

Пример 2. Исходные ингредиенты Sb₂O₃, Nb₂O₅, NiO, взятые в массовом соотношении 53, 49 и 1,8 соответственно, загружают в реактор, куда затем заливают водные растворы бифторида калия (KHF₂) и перекиси водорода (H₂O₂). Реактор герметизируют и нагревают до 500^oC, в результате чего в нем создается давление жидкой фазы до 1400 ат. Температурный градиент составляет 1,2 град/см. Время эксперимента 10 14 суток. При указанных технологических параметрах происходит кристаллизация монокристаллического пироэлектрического материала.

Пример 3. Исходные ингредиенты Sb₂O₃, Nb₂O₅, NiO, взятые в массовом соотношении 51, 48, 07 соответственно, загружают в реактор, куда заливают водные растворы бифторида калия (KHF₂) и перекиси водорода (H₂O₂). Реактор герметизируют и нагревают до температуры 550^oC, в результате чего в нем создается давление жидкой фазы до 1300 атм. Температурный градиент составляет 1,2 град/см. При указанных технологических параметрах происходит кристаллизация монокристаллического пироэлектрического материала.

Пример 4. Исходные ингредиенты Sb₂O₃, Nb₂O₅, NiO, взятые в массовом соотношении 50, 47, 1,2 соответственно, загружают в реактор, куда заливают водные растворы бифторида калия (KHF₂) и перекиси водорода (H₂O₂). Реактор герметизируют и нагревают до температуры 550^oC, в результате чего в нем создается давление жидкой фазы до 1280 атм. Температурный градиент составляет 1,2 град/см. При указанных технологических параметрах происходит кристаллизация монокристаллического пироэлектрического материала.

Следовательно, предложение использовать разработанный монокристаллический пироэлектрический материал в качестве чувствительного элемента в пиродатчиках имеет преимущества перед известными элементами, так как полученный пирокоэффициент велик и стабилен в области от 180 до + 180^oC (рис. 2), проводимость материала в этом интервале мала (см. табл.), а пироэлектрическая добротность превышает материал на основе ортониобата сурьмы (SbNbO₄).

Изобретение относится к монокристаллическому пироэлектрическому материалу, содержащему оксид сурьмы, оксид ниобия и оксид никеля в качестве основы, и может быть использовано в области пироэлектричества. Известен пироэлектрический материал, недостатком которого являются узкий интервал температур использования, неудовлетворительное значение величины пирокоэффициента и добротности. В связи с указанными недостатками предложен материал на основе оксидов сурьмы, ниобия, никеля при следующем соотношении ингредиентов, мас. %: оксид сурьмы 49 - 53; оксид ниобия 47 - 49; оксид никеля 0,4 - 1,8. Предложенный материал имеет высокие значения пирокоэффициента, добротность, что обеспечивает его преимущество перед известными материалами. 1 табл. 2 ил.

Монокристаллический пироэлектрический материал, содержащий в качестве основы оксид сурьмы и оксид ниобия, отличающийся тем, что он содержит оксид никеля при следующем соотношении ингредиентов, мас.

Оксид сурьмы 49 53
Оксид ниобия 47 49
Оксид никеля 0,4 1,8