这类陶瓷多数为透明铁电体,在相变过程中其折射率随电场而变化,即产生电控双折射效应。主要用于光调制器、
光存储器,光-电传感器、
光谱滤波器、
光开关、电激励多色显示器、光阀和记忆元件等。
陶瓷材料具有良好的耐热性能、高的硬度、优异的耐化学侵蚀能力以及各种有关的物理性能,令其在各个领域得到广泛应用。一般的
陶瓷材料并不具有透光性。1957 年 Coble R L 首次成功地制备了
透明氧化铝陶瓷。经过几十年的发展,已经研制出几十种透明陶瓷材料。透明陶瓷材料除了本身具有宽范围的透光性外,而且还具有高热导性、低电导率、低介电常数和介电损耗、高强度、高硬度、耐摩擦等一系列优异的综合性能。由于透明陶瓷具有优异的性能,英、美、日等许多国家以及中国对透明陶瓷做了大量的研究工作,使其飞速发展起来。根据透明陶瓷的用途和功能可将其分为透明
结构陶瓷和透明
功能陶瓷。PLZT 透明光电陶瓷是透明功能陶瓷中的一种。自从 HaertlingG H 1970 年用球磨和热压烧结工艺制备了透明的电光陶瓷 PLZT以来,PLZT 透明电光陶瓷一直是
光电材料研究的热点。这里从 PLZT 透明电光陶瓷的发展、制备、性能和应用等方面加以评述,较全面地对PLZT透明电光陶瓷进行介绍,为相关的研究提供参考。
透明陶瓷材料制备的基本工艺与普通陶瓷材料制备的基本工艺并没有太大的区别,但是从具体的技术上看,二者有着明显的不同,透明陶瓷材料制备对工艺上的要求要严格得多。由于陶瓷材料的透光性受其
气孔率、晶体结构、原料与添加剂、烧成气氛和表面加工光洁度等因素的影响较大,在制备透明陶瓷时需要精准控制每一个工艺过程,以保证最终产品具有较高的致密度和
表面光洁度、均匀而细小的晶粒、对入射光很小的选择吸收性、晶界处没有杂质及玻璃相或晶界的光学性质与微晶体差别很小以及没有光学各向异性,晶体结构以立方晶系最佳。
在制备PLZT陶瓷材料时,要经过称量→球磨→干燥→煅烧→二次球磨→筛分→
压制成型→烧结→后加工等过程。为了使陶瓷材料电学和光学性质满足实际应用的要求,可以通过调整La掺杂量得到相应电光系数材料。在制备PLZT陶瓷材料粉体时,人们通常采用改良的
固相反应法、
溶胶-凝胶法、共沉淀法、水热法等。在这些方法中,固相法需要较高的反应温度和较长的反应时间,而且球磨混合难以达到化学的组成均一,因此固相反应难以制备出具有均相、高烧结活性的粉体。溶胶-凝胶法需要大量
有机溶剂。水热法则产量低。相对而言,共沉淀法存
在工艺简单,设备廉价,一次性产量高等优点,因此,该方法最有希望实现工业化生产。但是,在共沉淀法中,不仅各种离子溶解度的差异会导致产物不再符合组元等化学计量,而且在共沉淀过程中,还会出现
团聚体,这些影响因素都会造成产物品质下降。粉体成型可以采用各种方法,应用较多的是干压成型或等静压成型。制备 PLZT 陶瓷材料的烧结工艺主要有热压烧结、通氧热压烧结、气氛烧结以及热等静压烧结等。Haertling G H利用热压工艺首次制备了PLZT透明陶瓷。在
烧结的时候,气氛是影响其制备的重要因素。由于 PbO 气体在高温下是一种易挥发的气体,所以通常使用 PbO 和 O2气氛。Snow GS 在1973年首先利用气氛烧结工艺,制备了透明PLZT电光陶瓷。樊慧庆研究了 PLZT 透明光电陶瓷的无压烧结,在 PbZrO3气氛保护、1200℃条件下烧结8h,实现了无压常规烧结制备低成本、实用型透明的PLZT。
PLZT电光陶瓷是一种典型的
透明铁电陶瓷,这种材料具有较高的光透过率和
电光效应,人工极化后还具有压电、光学双折射等特性。随着其制备工艺的发展,拓宽了 PLZT 材料的应用范围。PLZT 的电光效应是最具有应用意义的方面。透明PLZT陶瓷具有电光系数大、响应速度快、可得到大尺寸材料等优点,是一种很好的电光陶瓷材料。由于PLZT 组分的变化,其电光效应表现为多样性,适当地选择组分可满足实际应用的需要。因其具有优异的电光效应,使之成为光通讯领域重要的候选材料之一。利用 PLZT 透明陶瓷的电光效应可以实现对入射光的相位、强度、偏振和方向的控制,也可通过电调节使入射的白光成有色光,成为电控滤色片;通过组分的调节,还可以用作为光存储、光显示、
图象处理等光电器件的关键部件。PLZT透明陶瓷在电场作用下呈现的光学行为,实质是由电畴在电场作用下的转向引起的,而这类转向可以在很小的范围内单独进行并不影响其周围区域的状态,因此PLZT的开关、衰减、滤色的作用可在很小范围内单独实现,具有高
灵敏度、高
分辨率的优点。其主要应用领域有
光闸、光滤波、显示和空间光调制等。利用PLZT陶瓷的电控可变双折射效应能制作二维 Si/PLZT混合集成空间光调制器,它由硅集成电路做成的
光探测器和
放大器以及PLZT光调制器组成,具有将硅集成计算效能与光互连通讯效能相结合的能力以及提高并行速度的特点;利用 PLZT的电控变双折射特性,采用偏置应变技术,可以制成映像存储器件、偏振应变PLZT编页器等。
利用PLZT陶瓷的电控可变光散射效应,可以开发出一系列具有不同性能的光开关器件,如新型偏振无关光开关、宽谱严格无阻塞 PLZT空分矩阵光开光、全波段亚微秒级响应的单片PLZT门集成尾纤封装关开关等。另一方面,PLZT 薄膜的制备,特别是非晶薄膜的成功制备,更加吸引了人们的兴趣。因为非晶薄膜比晶体薄膜的生长要容易得多,这将大大降低成本;最重要的是这种非晶薄膜表现出铁电性或者叫类铁电性。铁电薄膜具有许多优良的物理性质和效应,如铁电开关特性、
压电效应、热释电效应、
电光效应、
声光效应、光折变效应和非线性光学效应等。因此铁电薄膜在微电子、光电子、集成光学和微机械学等领域有着重要的应用,如热电传感器、铁电记忆元件、电光开关以及电子元器件的微集成等。这些正是人们关注的热点。