中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
傳感器作為感知數(shù)據(jù)的主要載體，將照亮智能時(shí)代的前行之路。鈦酸鋇（BTO）是傳感器應(yīng)用中極為關(guān)鍵的一類鐵電材料，近年來引起了商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
福州大學(xué)朱敏敏教授團(tuán)隊(duì)在Advanced Sensor Research期刊上發(fā)表了一篇題為“Recent Progress on Barium Titanate-Based Ferroelectrics for Sensor Applications”的綜述文章。這篇綜述文章對基于鈦酸鋇的傳感器在各個(gè)領(lǐng)域中的應(yīng)用進(jìn)行了全面的研究。文章從鐵電材料的歷史分析開始，特別強(qiáng)調(diào)了鈦酸鋇的發(fā)展軌跡。隨后，文章深入闡述了與鈦酸鋇材料相關(guān)的屬性和制造工藝，讓讀者深入了解這些材料的結(jié)構(gòu)和制造。最后，文章還介紹了一系列針對眾多領(lǐng)域中不同功能而定制的傳感器。
鈦酸鋇是一種極為重要的鐵電材料，近年來一直處于傳感器技術(shù)的前沿。其獨(dú)特的特性，包括高介電常數(shù)和壓電特性，使傳感器能夠檢測和響應(yīng)各種物理現(xiàn)象。這種多功能性使鈦酸鋇成為部署在各個(gè)領(lǐng)域的傳感器的核心材料。
圖1說明了鈦酸鋇基傳感器發(fā)揮關(guān)鍵作用的應(yīng)用范圍。在環(huán)境監(jiān)測領(lǐng)域，這些傳感器能夠收集有關(guān)空氣和水質(zhì)、天氣狀況和污染水平的數(shù)據(jù)。這些信息為與資源管理和公共衛(wèi)生相關(guān)的明智決策奠定了基礎(chǔ)。鈦酸鋇基傳感器確保了這些系統(tǒng)的無縫運(yùn)行并提高了生活質(zhì)量。
圖1 基于鈦酸鋇的多功能傳感器
鐵電研究和鈦酸鋇歷史
1920年，人們首次在羅謝爾（Rochelle）鹽中觀察到鐵電現(xiàn)象，這是材料科學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵時(shí)刻。在這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)之后，無數(shù)材料和技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，推動了工業(yè)和商業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域的深遠(yuǎn)發(fā)展。鐵電研究歷史上的主要里程碑如圖2所示。
圖2 鐵電研究里程碑時(shí)間線
鈦酸鋇于1941年在第二次世界大戰(zhàn)的背景下被發(fā)現(xiàn)，并迅速成為一種具有重要戰(zhàn)略意義的材料，當(dāng)時(shí)，廣泛使用的介電材料云母的供應(yīng)面臨挑戰(zhàn)。二戰(zhàn)后，科學(xué)界對鈦酸鋇的物理特性和相態(tài)的探索興趣激增。1947年，瑞士使用三元熔融法成功合成了首批鈦酸鋇單晶。20世紀(jì)40年代，鐵電領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，主要原因是人們對鐵電開關(guān)、疇結(jié)構(gòu)和鈦酸鋇晶體特性的演變進(jìn)行了深入研究。20世紀(jì)40年代末和50年代初，人們發(fā)現(xiàn)了大量新型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)鐵電材料，這些材料的特點(diǎn)是介電性能和壓電性能不斷增強(qiáng)。
隨后幾十年，科學(xué)界的關(guān)注點(diǎn)發(fā)生了轉(zhuǎn)變，對鈦酸鋇基材料的探索更加深入，特別是在介電特性及其在電容器中的適用性方面。20世紀(jì)70年代至90年代期間，鐵電領(lǐng)域呈現(xiàn)多樣化，其中一項(xiàng)重大發(fā)展是光伏和熱敏電阻相關(guān)創(chuàng)新領(lǐng)域的出現(xiàn)。20世紀(jì)80年代和90年代，隨著鐵電體開始在緊湊型器件中占據(jù)一席之地，集成化和小型化的時(shí)代開始到來。鈦酸鋇單晶和陶瓷成為關(guān)鍵材料，為應(yīng)變機(jī)制、疇結(jié)構(gòu)和微觀結(jié)構(gòu)工程的研究提供了模型。鈦酸鋇薄膜以其優(yōu)異的介電響應(yīng)和光學(xué)特性而著稱，在動態(tài)隨機(jī)存取存儲器和電光器件中得到廣泛應(yīng)用。目前，鈦酸鋇薄膜的獨(dú)特性能為眾多應(yīng)用提供了支撐。
鈦酸鋇的結(jié)構(gòu)及鐵電性能
圖3展示了鈣鈦礦鈦酸鋇的相變演化。在這種結(jié)構(gòu)中，Ti??位于立方體晶胞的中心，而Ba2?則位于立方體的八個(gè)頂點(diǎn)角落。O2?位于立方體的六個(gè)面中心，與Ti??形成氧八面體。鋇鈦礦以其卓越的介電特性而聞名，特別是在其居里溫度附近。在這一臨界點(diǎn)，其介電常數(shù)接近約10,000的驚人值。因此，鋇鈦礦被廣泛應(yīng)用于制造陶瓷電容器、壓電傳感器、壓電換能器以及各種電子器件。
圖3 鈣鈦礦鈦酸鋇的相變演化
鈦酸鋇塊體陶瓷是材料科學(xué)與工程領(lǐng)域備受關(guān)注的一類材料，具有介電常數(shù)高、壓電性能優(yōu)異、鐵電特性穩(wěn)定等特點(diǎn)，在各種技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛。鈦酸鋇塊體陶瓷可以通過一系列方法合成。這些主要技術(shù)包括固態(tài)反應(yīng)、水熱法、壓制和燒結(jié)以及溶膠-凝膠法等。
鈦酸鋇陶瓷的鐵電性能包含多個(gè)關(guān)鍵屬性，包括自發(fā)極化強(qiáng)度、介電常數(shù)和壓電效應(yīng)。自發(fā)極化強(qiáng)度表示材料本征極化的最大可實(shí)現(xiàn)值，可通過外部電場進(jìn)行調(diào)節(jié)。介電常數(shù)表征材料對電場的響應(yīng)性，對其電容行為有重大影響。壓電效應(yīng)表示材料在外部機(jī)械力的作用下產(chǎn)生電荷分離，從而形成電位差。這些鐵電特性共同賦予鈦酸鋇塊體陶瓷在各個(gè)領(lǐng)域的巨大潛在應(yīng)用，涵蓋電子器件、傳感器、電容器和眾多其它技術(shù)領(lǐng)域。
鈦酸鋇薄膜的制備方法主要包括物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、脈沖激光沉積（PLD）、磁控濺射和自組裝等。
鈦酸鋇薄膜的介電常數(shù)高達(dá)數(shù)十至數(shù)千，具有對電場強(qiáng)烈響應(yīng)的顯著能力。這一特性凸顯了鈦酸鋇在電容器和介電層等各種電容器件中的關(guān)鍵作用。鈦酸鋇薄膜以其有趣的疇結(jié)構(gòu)變化而著稱，這可以歸因于外延相干應(yīng)變的部分弛豫。這些疇結(jié)構(gòu)是薄膜中獨(dú)特晶體排列的結(jié)果，對其性能起著重要作用。鈦酸鋇薄膜中的飽和極化（Ps）概念是一種基本特性，在各種電子和電光應(yīng)用中起著關(guān)鍵作用。鈦酸鋇薄膜具有顯著的壓電效應(yīng)，這是一種通過產(chǎn)生電荷分離和極化來響應(yīng)機(jī)械應(yīng)力或壓力的現(xiàn)象。這種響應(yīng)會產(chǎn)生電位差，使鈦酸鋇薄膜在壓電傳感器和壓電執(zhí)行器等應(yīng)用中不可或缺。
鈦酸鋇薄膜的鐵電特性提供了廣泛的探索和創(chuàng)新機(jī)會，超出了其現(xiàn)有的應(yīng)用領(lǐng)域。這些多功能薄膜在各種領(lǐng)域和應(yīng)用方面都具有巨大潛力，包括儲能、電子設(shè)備、傳感器技術(shù)和柔性電子產(chǎn)品等。
基于鈦酸鋇的傳感器應(yīng)用
近年來，鐵電材料作為傳感器技術(shù)領(lǐng)域的關(guān)鍵組成部分備受關(guān)注。信息時(shí)代的到來使人們的日常生活發(fā)生了根本性的轉(zhuǎn)變，環(huán)境、醫(yī)療和通信數(shù)據(jù)的獲取和交換越來越依賴于傳感器。為了滿足這個(gè)數(shù)字時(shí)代不斷發(fā)展的需求，迫切需要開發(fā)出更靈敏、更安全、更節(jié)能的傳感器，從而提高人們?nèi)粘Ｉ畹氖孢m度和便利性。提高傳感器性能的過程始于核心：基礎(chǔ)材料。在此背景下，鈦酸鋇特性已成為一個(gè)前景廣闊的研究方向，具有支持各種傳感器應(yīng)用的潛力。這種全方位的探索延伸到各種傳感器類型，包括生物醫(yī)學(xué)、機(jī)械、光學(xué)和熱傳感器。鈦酸鋇材料的多功能特性是推動傳感器領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵，使人們能夠制造出現(xiàn)代生活所需的設(shè)備。
圖4 基于鈦酸鋇的柔性壓力傳感器及脈搏監(jiān)測
圖5 基于鈦酸鋇的紫外光電探測器
圖6 基于鈦酸鋇的溫度傳感器
小結(jié)
綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代來臨之際，傳感器成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其應(yīng)用領(lǐng)域以前所未有的速度擴(kuò)展和演進(jìn)。傳感器的發(fā)展趨勢包括微型化、高分辨率和高精確度，以及在極端環(huán)境下的部署。在智能時(shí)代，傳感器現(xiàn)在承擔(dān)著從信息感知、處理和交換到自發(fā)電的各種功能。值得注意的是，鈦酸鋇以其固有的介電、熱釋電、壓電和光電特性，是一種快速發(fā)展的傳感器核心材料。其多方面屬性將在傳感器技術(shù)背景下受到嚴(yán)格檢驗(yàn)。鈦酸鋇不僅可以作為獨(dú)立的傳感器材料，而且在各種傳感應(yīng)用中起著關(guān)鍵的輔助作用，凸顯了其在該領(lǐng)域的多功能性和重要性。隨著人工智能（AI）時(shí)代的快速發(fā)展，神經(jīng)計(jì)算和人工突觸的研究將成為未來的熱點(diǎn)。鈦酸鋇作為具有代表性的鐵電材料有望在這些領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adsr.202300168
