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，將照亮智能時代的前行之路。鈦酸鋇（BTO）是傳感器應用中極為關鍵的一類鐵電材料，近年來引起了商業(yè)和工業(yè)領域的廣泛關注。
福州大學朱敏敏教授團隊在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領域中的應用進行了全面的研究。文章從鐵電材料的歷史分析開始，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的前沿。其獨特的特性，包括高介電常數(shù)和壓電特性，使傳感器能夠檢測和響應各種物理現(xiàn)象。這種多功能性使鈦酸鋇成為部署在各個領域的傳感器的核心材料。
圖1說明了鈦酸鋇基傳感器發(fā)揮關鍵作用的應用范圍。在環(huán)境監(jiān)測領域，這些傳感器能夠收集有關空氣和水質、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)生相關的明智決策奠定了基礎。鈦酸鋇基傳感器確保了這些系統(tǒng)的無縫運行并提高了生活質量。
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，這是材料科學領域的一個關鍵時刻。在這一里程碑式的發(fā)現(xiàn)之后，無數(shù)材料和技術應運而生，推動了工業(yè)和商業(yè)應用領域的深遠發(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，當時，廣泛使用的介電材料云母的供應面臨挑戰(zhàn)。二戰(zhàn)后，科學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，鐵電領域蓬勃發(fā)展，主要原因是人們對鐵電開關、疇結構和鈦酸鋇晶體特性的演變進行了深入研究。20世紀40年代末和50年代初，人們發(fā)現(xiàn)了大量新型鈣鈦礦結構鐵電材料，這些材料的特點是介電性能和壓電性能不斷增強。
隨后幾十年，科學界的關注點發(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，鐵電領域呈現(xiàn)多樣化，其中一項重大發(fā)展是光伏和熱敏電阻相關創(chuàng)新領域的出現(xiàn)。20世紀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代開始到來。鈦酸鋇單晶和陶瓷成為關鍵材料，為應變機制、疇結構和微觀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特性而著稱，在動態(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Ba2?則位于立方體的八個頂點角落。O2?位于立方體的六個面中心，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，其介電常數(shù)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與工程領域備受關注的一類材料，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，在各種技術領域的應用越來越廣泛。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關鍵屬性，包括自發(fā)極化強度、介電常數(shù)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現(xiàn)值，可通過外部電場進行調節(jié)。介電常數(shù)表征材料對電場的響應性，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領域的巨大潛在應用，涵蓋電子器件、傳感器、電容器和眾多其它技術領域。
鈦酸鋇薄膜的制備方法主要包括物理氣相沉積（PVD）、化學氣相沉積（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)高達數(shù)十至數(shù)千，具有對電場強烈響應的顯著能力。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鍵作用。鈦酸鋇薄膜以其有趣的疇結構變化而著稱，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關鍵作用。鈦酸鋇薄膜具有顯著的壓電效應，這是一種通過產(chǎn)生電荷分離和極化來響應機械應力或壓力的現(xiàn)象。這種響應會產(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，超出了其現(xiàn)有的應用領域。這些多功能薄膜在各種領域和應用方面都具有巨大潛力，包括儲能、電子設備、傳感器技術和柔性電子產(chǎn)品等。
基于鈦酸鋇的傳感器應用
近年來，鐵電材料作為傳感器技術領域的關鍵組成部分備受關注。信息時代的到來使人們的日常生活發(fā)生了根本性的轉變，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。為了滿足這個數(shù)字時代不斷發(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，從而提高人們日常生活的舒適度和便利性。提高傳感器性能的過程始于核心：基礎材料。在此背景下，鈦酸鋇特性已成為一個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型，包括生物醫(yī)學、機械、光學和熱傳感器。鈦酸鋇材料的多功能特性是推動傳感器領域發(fā)展的關鍵，使人們能夠制造出現(xiàn)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(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
綜上所述，在物聯(lián)網(wǎng)（IoT）時代來臨之際，傳感器成為人們關注的焦點，其應用領域以前所未有的速度擴展和演進。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。在智能時代，傳感器現(xiàn)在承擔著從信息感知、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關鍵的輔助作用，凸顯了其在該領域的多功能性和重要性。隨著人工智能（AI）時代的快速發(fā)展，神經(jīng)計算和人工突觸的研究將成為未來的熱點。鈦酸鋇作為具有代表性的鐵電材料有望在這些領域發(fā)揮重要作用。
論文鏈接：https://doi.org/10.1002/adsr.202300168
