综述：钛酸钡基铁电体在传感器应用中的研究进展
2024-10-26 15:26:19   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

传感器作为感知数据的主要载体，将照亮智能时代的前行之路。钛酸钡（BTO）是传感器应用中极为关键的一类铁电材料，近年来引起了商业和工业领域的广泛关注。

据麦姆斯咨询报道，福州大学朱敏敏教授团队在Advanced Sensor Research期刊上发表了一篇题为“Recent Progress on Barium Titanate-Based Ferroelectrics for Sensor Applications”的综述文章。这篇综述文章对基于钛酸钡的传感器在各个领域中的应用进行了全面的研究。文章从铁电材料的历史分析开始，特别强调了钛酸钡的发展轨迹。随后，文章深入阐述了与钛酸钡材料相关的属性和制造工艺，让读者深入了解这些材料的结构和制造。最后，文章还介绍了一系列针对众多领域中不同功能而定制的传感器。

钛酸钡是一种极为重要的铁电材料，近年来一直处于传感器技术的前沿。其独特的特性，包括高介电常数和压电特性，使传感器能够检测和响应各种物理现象。这种多功能性使钛酸钡成为部署在各个领域的传感器的核心材料。

图1说明了钛酸钡基传感器发挥关键作用的应用范围。在环境监测领域，这些传感器能够收集有关空气和水质、天气状况和污染水平的数据。这些信息为与资源管理和公共卫生相关的明智决策奠定了基础。钛酸钡基传感器确保了这些系统的无缝运行并提高了生活质量。

图1 基于钛酸钡的多功能传感器

铁电研究和钛酸钡历史

1920年，人们首次在罗谢尔（Rochelle）盐中观察到铁电现象，这是材料科学领域的一个关键时刻。在这一里程碑式的发现之后，无数材料和技术应运而生，推动了工业和商业应用领域的深远发展。铁电研究历史上的主要里程碑如图2所示。

图2 铁电研究里程碑时间线

钛酸钡于1941年在第二次世界大战的背景下被发现，并迅速成为一种具有重要战略意义的材料，当时，广泛使用的介电材料云母的供应面临挑战。二战后，科学界对钛酸钡的物理特性和相态的探索兴趣激增。1947年，瑞士使用三元熔融法成功合成了首批钛酸钡单晶。20世纪40年代，铁电领域蓬勃发展，主要原因是人们对铁电开关、畴结构和钛酸钡晶体特性的演变进行了深入研究。20世纪40年代末和50年代初，人们发现了大量新型钙钛矿结构铁电材料，这些材料的特点是介电性能和压电性能不断增强。

随后几十年，科学界的关注点发生了转变，对钛酸钡基材料的探索更加深入，特别是在介电特性及其在电容器中的适用性方面。20世纪70年代至90年代期间，铁电领域呈现多样化，其中一项重大发展是光伏和热敏电阻相关创新领域的出现。20世纪80年代和90年代，随着铁电体开始在紧凑型器件中占据一席之地，集成化和小型化的时代开始到来。钛酸钡单晶和陶瓷成为关键材料，为应变机制、畴结构和微观结构工程的研究提供了模型。钛酸钡薄膜以其优异的介电响应和光学特性而著称，在动态随机存取存储器和电光器件中得到广泛应用。目前，钛酸钡薄膜的独特性能为众多应用提供了支撑。

钛酸钡的结构及铁电性能

图3展示了钙钛矿钛酸钡的相变演化。在这种结构中，Ti⁴⁺位于立方体晶胞的中心，而Ba²⁺则位于立方体的八个顶点角落。O²⁻位于立方体的六个面中心，与Ti⁴⁺形成氧八面体。钡钛矿以其卓越的介电特性而闻名，特别是在其居里温度附近。在这一临界点，其介电常数接近约10,000的惊人值。因此，钡钛矿被广泛应用于制造陶瓷电容器、压电传感器、压电换能器以及各种电子器件。

图3 钙钛矿钛酸钡的相变演化

钛酸钡块体陶瓷是材料科学与工程领域备受关注的一类材料，具有介电常数高、压电性能优异、铁电特性稳定等特点，在各种技术领域的应用越来越广泛。钛酸钡块体陶瓷可以通过一系列方法合成。这些主要技术包括固态反应、水热法、压制和烧结以及溶胶-凝胶法等。

钛酸钡陶瓷的铁电性能包含多个关键属性，包括自发极化强度、介电常数和压电效应。自发极化强度表示材料本征极化的最大可实现值，可通过外部电场进行调节。介电常数表征材料对电场的响应性，对其电容行为有重大影响。压电效应表示材料在外部机械力的作用下产生电荷分离，从而形成电位差。这些铁电特性共同赋予钛酸钡块体陶瓷在各个领域的巨大潜在应用，涵盖电子器件、传感器、电容器和众多其它技术领域。

钛酸钡薄膜的制备方法主要包括物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）、脉冲激光沉积（PLD）、磁控溅射和自组装等。

钛酸钡薄膜的介电常数高达数十至数千，具有对电场强烈响应的显著能力。这一特性凸显了钛酸钡在电容器和介电层等各种电容器件中的关键作用。钛酸钡薄膜以其有趣的畴结构变化而著称，这可以归因于外延相干应变的部分弛豫。这些畴结构是薄膜中独特晶体排列的结果，对其性能起着重要作用。钛酸钡薄膜中的饱和极化（Ps）概念是一种基本特性，在各种电子和电光应用中起着关键作用。钛酸钡薄膜具有显著的压电效应，这是一种通过产生电荷分离和极化来响应机械应力或压力的现象。这种响应会产生电位差，使钛酸钡薄膜在压电传感器和压电执行器等应用中不可或缺。

钛酸钡薄膜的铁电特性提供了广泛的探索和创新机会，超出了其现有的应用领域。这些多功能薄膜在各种领域和应用方面都具有巨大潜力，包括储能、电子设备、传感器技术和柔性电子产品等。

基于钛酸钡的传感器应用

近年来，铁电材料作为传感器技术领域的关键组成部分备受关注。信息时代的到来使人们的日常生活发生了根本性的转变，环境、医疗和通信数据的获取和交换越来越依赖于传感器。为了满足这个数字时代不断发展的需求，迫切需要开发出更灵敏、更安全、更节能的传感器，从而提高人们日常生活的舒适度和便利性。提高传感器性能的过程始于核心：基础材料。在此背景下，钛酸钡特性已成为一个前景广阔的研究方向，具有支持各种传感器应用的潜力。这种全方位的探索延伸到各种传感器类型，包括生物医学、机械、光学和热传感器。钛酸钡材料的多功能特性是推动传感器领域发展的关键，使人们能够制造出现代生活所需的设备。

图4 基于钛酸钡的柔性压力传感器及脉搏监测

图5 基于钛酸钡的紫外光电探测器

图6 基于钛酸钡的温度传感器

小结

综上所述，在物联网（IoT）时代来临之际，传感器成为人们关注的焦点，其应用领域以前所未有的速度扩展和演进。传感器的发展趋势包括微型化、高分辨率和高精确度，以及在极端环境下的部署。在智能时代，传感器现在承担着从信息感知、处理和交换到自发电的各种功能。值得注意的是，钛酸钡以其固有的介电、热释电、压电和光电特性，是一种快速发展的传感器核心材料。其多方面属性将在传感器技术背景下受到严格检验。钛酸钡不仅可以作为独立的传感器材料，而且在各种传感应用中起着关键的辅助作用，凸显了其在该领域的多功能性和重要性。随着人工智能（AI）时代的快速发展，神经计算和人工突触的研究将成为未来的热点。钛酸钡作为具有代表性的铁电材料有望在这些领域发挥重要作用。

论文链接：https://doi.org/10.1002/adsr.202300168

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