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近50年来，世界各国争相发展红外探测技术，应用遍及军事、航天、科研、医疗、工业等众多领域。红外探测具有环境适应性好、隐蔽性好、抗干扰能力强、全天候工作，且设备体积小、重量轻、功耗低等特点，在军事方面和民用领域都有广泛应用。其中热释电红外探测器由于其无需制冷、无需偏压、器件结构简单、宽的光谱响应等特点，越来越受到人们的关注。热释电红外探测器的发展关键在于热释电材料的研制，其中以弛豫铁电单晶铌镁酸铅钛酸铅为代表的热释电材料具有高的热释电系数、适中的介电常数、极低的介电损耗，有望成为新一代商用热释电材料。 本论文围绕基于弛豫铁电单晶的热释电红外传感器的制备与应用展开了以下方面的研究，包括:(1)热释电红外探测器理论模型的建立与优化;(2)弛豫铁电单晶的生长与性能调控;(3)热释电红外探测器的制备与性能优化;(4)热释电红外探测器的应用研究。 为指导探测器研制工作的展开，我们建立并优化了热释电红外探测器理论模型:在传统热释电红外探测器理论的基础上，以实际应用为前提，深入剖析了各种可能的频率范围下材料的各项本征性能以及电路元件的各个参数各自所起的作用，所得到的结果将对后续材料的组分调控方向以及探测器结构的设计起到至关重要的指导作用。另一方面，重点研究了探测器的噪声机制，确定了不同频率下起主导作用的噪声源，并将其与材料的探测优值建立了联系，确实地为材料性能优化、探测器结构优化提供指导。 以优化后的理论模型为指导，为弥补Mn-PMNT单晶高介电常数、低相变温度的短板，采用改进的Bridgman方法（坩埚下降法）生长出了一系列的Mn掺杂PIMNT单晶。三方相Mn-PIMNT(36/36/28)单晶，其低温相变温度Trt为137℃，较Mn-PMNT(72/28)单晶提高了42℃，并且常温下的介电常数也有所下降;通四方相Mn-PIMNT(29/31/40)单晶，由于低温相变点的消失，使得其能在216℃以下正常工作，较Mn-PMNT(72/28)单晶大幅提升了近100℃，大大拓宽了该系列单晶的温度使用范围。并且1kHz介电常数为350，下降至Mn-PMNT(72/28)单晶的一半。进一步的组分调控所生长出的四方相Mn-PIMNT(29/29/42)单晶，其居里温度更是高达258℃，刷新了该系列单晶的最高使用温度。此外，该单晶的介电常数得到进一步降低，1kHz下仅为208，降低至Mn-PMNT(72/28)单晶的约1/3。两种四方相单晶的热释电系数虽然有所下降，然而由于介电常数的下降从而部分抵消不良结果，保持了优良的探测优值。 为尽可能地发挥出灵敏元的优良性能，我们建立了详尽的极薄灵敏元制备工艺技术，并通过两次退火工艺降低了灵敏元的损耗，制备出了高性能的驰豫铁电单晶灵敏元;设计并改进了碳纳米管吸收层制备技术，在保有高效的红外吸收性能的同时，提高了其在灵敏元表面的附着力，从而提高了探测器的稳定性;系统性地分析了电压模式与电流模式各自的作用与两者之间的区别，并合理设计了电路板;在上述工作的基础制备了基于四方相Mn-PIMNT(29/31/40)单晶的电压模式与电流模式探测器，该探测器在电压模式和电流模式下的比探测率D*分别达到了1.15×109 cmHz1/2/W和1.74×109 cmHz1/2/W，性能与基于Mn-PMNT(72/28)的探测器性能相差无几，同样为目前基于LiTaO3单晶的商用探测器3倍左右，处于国际领先水平。 通过对气体分析原理的研究，推导并优化了气体浓度分析时的计算公式，为计算的稳定性与精确性提供了帮助;合理设计了气体传感器的结构，并制备了原型器件，同时搭建了测试与标定平平，为进一步实现了CO2气体的精确测量打下了坚定的基础。同时，基于Mn-PMNT(72/28)单晶所制备出的热释电红外探测器，无论是在气体分析领域，还是在火焰探测领域，其信噪比均远超国外知名探测器，展现出了Mn-PMNT系列单晶美好的应用前景。