中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
傳感器作為感知數據的主要載體，將照亮智能時(shí)代的前行之路。鈦酸鋇（BTO）是傳感器應用中極為關(guān)鍵的一類(lèi)鐵電材料，近年來(lái)引起了商業(yè)和工業(yè)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。
福州大學(xué)朱敏敏教授團隊在A(yíng)dvanced 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)域中的應用進(jìn)行了全面的研究。文章從鐵電材料的歷史分析開(kāi)始，特別強調了鈦酸鋇的發(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構和制造。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(lái)一直處于傳感器技術(shù)的前沿。其獨特的特性，包括高介電常數和壓電特性，使傳感器能夠檢測和響應各種物理現象。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(shuō)明了鈦酸鋇基傳感器發(fā)揮關(guān)鍵作用的應用范圍。在環(huán)境監測領(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據。這些信息為與資源管理和公共衛生相關(guān)的明智決策奠定了基礎。鈦酸鋇基傳感器確保了這些系統的無(wú)縫運行并提高了生活質(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(guān)察到鐵電現象，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)現之后，無(wú)數材料和技術(shù)應運而生，推動(dòng)了工業(yè)和商業(yè)應用領(lǐng)域的深遠發(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(xiàn)
鈦酸鋇于1941年在第二次世界大戰的背景下被發(fā)現，并迅速成為一種具有重要戰略意義的材料，當時(shí)，廣泛使用的介電材料云母的供應面臨挑戰。二戰后，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40年代，鐵電領(lǐng)域蓬勃發(fā)展，主要原因是人們對鐵電開(kāi)關(guān)、疇結構和鈦酸鋇晶體特性的演變進(jìn)行了深入研究。20世紀40年代末和50年代初，人們發(fā)現了大量新型鈣鈦礦結構鐵電材料，這些材料的特點(diǎn)是介電性能和壓電性能不斷增強。
隨后幾十年，科學(xué)界的關(guān)注點(diǎn)發(fā)生了轉變，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70年代至90年代期間，鐵電領(lǐng)域呈現多樣化，其中一項重大發(fā)展是光伏和熱敏電阻相關(guān)創(chuàng )新領(lǐng)域的出現。20世紀80年代和90年代，隨著(zhù)鐵電體開(kāi)始在緊湊型器件中占據一席之地，集成化和小型化的時(shí)代開(kāi)始到來(lái)。鈦酸鋇單晶和陶瓷成為關(guān)鍵材料，為應變機制、疇結構和微觀(guān)結構工程的研究提供了模型。鈦酸鋇薄膜以其優(yōu)異的介電響應和光學(xué)特性而著(zhù)稱(chēng)，在動(dòng)態(tài)隨機存取存儲器和電光器件中得到廣泛應用。目前，鈦酸鋇薄膜的獨特性能為眾多應用提供了支撐。
鈦酸鋇的結構及鐵電性能
圖3展示了鈣鈦礦鈦酸鋇的相變演化。在這種結構中，Ti??位于立方體晶胞的中心，而B(niǎo)a2?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)，其介電常數接近約10,000的驚人值。因此，鋇鈦礦被廣泛應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(lèi)材料，具有介電常數高、壓電性能優(yōu)異、鐵電特性穩定等特點(diǎn)，在各種技術(shù)領(lǐng)域的應用越來(lái)越廣泛。鈦酸鋇塊體陶瓷可以通過(guò)一系列方法合成。這些主要技術(shù)包括固態(tài)反應、水熱法、壓制和燒結以及溶膠-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)極化強度、介電常數和壓電效應。自發(fā)極化強度表示材料本征極化的最大可實(shí)現值，可通過(guò)外部電場(chǎng)進(jìn)行調節。介電常數表征材料對電場(chǎng)的響應性，對其電容行為有重大影響。壓電效應表示材料在外部機械力的作用下產(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高達數十至數千，具有對電場(chǎng)強烈響應的顯著(zhù)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構變化而著(zhù)稱(chēng)，這可以歸因于外延相干應變的部分弛豫。這些疇結構是薄膜中獨特晶體排列的結果，對其性能起著(zhù)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用中起著(zhù)關(guān)鍵作用。鈦酸鋇薄膜具有顯著(zhù)的壓電效應，這是一種通過(guò)產(chǎn)生電荷分離和極化來(lái)響應機械應力或壓力的現象。這種響應會(huì )產(chǎn)生電位差，使鈦酸鋇薄膜在壓電傳感器和壓電執行器等應用中不可或缺。
鈦酸鋇薄膜的鐵電特性提供了廣泛的探索和創(chuàng )新機會(huì )，超出了其現有的應用領(lǐng)域。這些多功能薄膜在各種領(lǐng)域和應用方面都具有巨大潛力，包括儲能、電子設備、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用
近年來(lái)，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(lái)使人們的日常生活發(fā)生了根本性的轉變，環(huán)境、醫療和通信數據的獲取和交換越來(lái)越依賴(lài)于傳感器。為了滿(mǎn)足這個(gè)數字時(shí)代不斷發(fā)展的需求，迫切需要開(kāi)發(fā)出更靈敏、更安全、更節能的傳感器，從而提高人們日常生活的舒適度和便利性。提高傳感器性能的過(guò)程始于核心：基礎材料。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用的潛力。這種全方位的探索延伸到各種傳感器類(lèi)型，包括生物醫學(xué)、機械、光學(xué)和熱傳感器。鈦酸鋇材料的多功能特性是推動(dòng)傳感器領(lǐng)域發(fā)展的關(guān)鍵，使人們能夠制造出現代生活所需的設備。
圖4 基于鈦酸鋇的柔性壓力傳感器及脈搏監測
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
綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時(shí)代來(lái)臨之際，傳感器成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，其應用領(lǐng)域以前所未有的速度擴展和演進(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，傳感器現在承擔著(zhù)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)背景下受到嚴格檢驗。鈦酸鋇不僅可以作為獨立的傳感器材料，而且在各種傳感應用中起著(zhù)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(zhù)人工智能（AI）時(shí)代的快速發(fā)展，神經(jīng)計算和人工突觸的研究將成為未來(lái)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
