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红外探测器是红外探测系统的核心部件，在工业、交通、国防等领域应用广泛。基于弛豫铁电单晶的热释电红外探测器具有无需致冷、偏压和恒温装置，器件结构简单、波段响应宽，探测性能较高等特性，因而受到了广泛关注。为提高热释电红外探测器的性能，本论文从获得高性能热释电材料和探索与弛豫铁电单晶特点相适应的探测模式两方面入手，研究了弛豫铁电单晶电畴结构、缺陷结构与热释电性能的关系，且利用MATLAB软件对红外探测器的探测性能进行了仿真模拟。
在提高材料探测优值方面，研究了锰离子掺杂对Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PMNT)单晶热释电性能和缺陷结构的影响。掺杂后，PMNT单晶维持其钙钛矿结构，Mn2+占据钙钛矿结构的B位，周围存在一个氧空位，形成Mn"Ti-V"o缺陷偶极对，其在激活状态下对电场的响应比晶体中固有偶极子慢得多，抑制了畴壁的移动，导致掺杂后PMNT单晶的介电弛豫特性减弱，矫顽场从2.7 kV/cm增加到4.5 kV/cm，介电损耗从0.003降低到0.0005，从而使探测优值从10.0×10-5 Pa-1/2增加到27.2×10-5 Pa-1/2。通过研究不同退火条件下的双晶衍射、X射线光电子能谱、高温电导、电畴结构等，得到氧气退火后氧空位浓度降低，晶体的结晶完整性提高，电导率降低，获得了接近单畴的4mm×4mm尺寸晶片，降低了介电损耗。
为拓宽弛豫铁电单晶的温度应用范围，系统研究了组分、温度、频率、退火、极化等工艺对Pb(In1/2Nb1/2)O3-Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3(PIMNT)单晶质量、电畴结构以及热释电性能的影响，认为相变温度高低主要取决于PT组元，而热释电系数大小主要取决于PMN组元。获得了综合热释电性能优异的组分PIMNT(21/49/30)，其三方-四方相变温度达到125℃，居里温度达到180℃，探测优值达到14.2×10-5 Pa-1/2。热导率为1.17 W/m·K，与PMNT单晶接近，远小于LiTaO3的热导率(4.18 W/m·K)，有助于降低器件的温度噪声。初步研究了锰离子掺杂对PIMNT单晶的影响，其介电损耗略有降低，需进一步优化掺杂离子的浓度。
在对经典的热释电红外探测器集总参数模型优化的基础上，首次提出在电压模式和小面积灵敏元电流模式下，电压响应率与频率的关系满足：Rv∝ω-1/2，并在实际探测器测试中得到验证。仿真模拟了基于弛豫铁电单晶的热释电红外探测器的时间常数、电压响应率、噪声电压、探测率与调制频率、灵敏元面积、灵敏元厚度、放大电路模式的关系，确定了不同条件下噪声的主要来源，并认为提高探测率需要降低灵敏元厚度，增加栅极电阻(反馈电阻)，增加前放输入电阻，减小反馈电容以及合理调节灵敏元面积。对于单元探测器件，电压模式电时间常数达到数秒一数十秒，高于电流模式的数百毫秒，且电压模式的电压响应率比电流模式低2-3个数量级，所以电流模式对于高性能单元探测器非常合适。
通过与基于LiTaO3单晶、TGS类单晶的商用探测器的仿真比较，得到结论：在1-10 HZ附近，基于弛豫铁电单晶的单元红外探测器探测率是其他两种材料的3-5倍，这与探测器实际测试结果10.7×108 cm·Hz1/2/W非常接近。而在小面积阵元应用中，其探测率达到其它两种材料的6-10倍，有望在新一代非致冷红外焦平面中获得应用。