Танталат лития и пластины ниобата лития: Всестороннее сравнение для любителей техники

1 Введение

Ниобат лития (LiNbO3, LN) и танталат лития (LiTaO3, LT) - многофункциональные кристаллические материалы с отличными характеристиками. С точки зрения оптических свойств, они обладают электрооптическими, акустооптическими и нелинейно-оптическими свойствами, могут использоваться в качестве фильтров и т.д. Ниобат лития также обладает уникальным фоторефрактивным эффектом, что позволяет использовать его в новой области голографического хранения данных. В электрической области, помимо электротико-оптических свойств, ниобат лития и танталат лития обладают пьезоэлектрическим и пироэлектрическим эффектами, которые широко используются в качестве пьезоэлектрических подложек и пироэлектрических детекторов.

В этой статье представлены материалы ниобата и танталата лития, начиная с кристаллической структуры, включая их оптические свойства, электрические свойства, область применения, процесс приготовления и т.д., чтобы предоставить вам определенную ссылку для выбора материалов для применения.

Кристаллические структуры ниобата и танталата лития

LN принадлежит к тройной кристаллической системе с точечной группой 3m, пространственной группой R3c и тройной осью вращательной симметрии, и классифицируется на два вида: ниобат лития близкой стехиометрии (SLN) и изотактический ниобат лития (CLN). LT также относится к трехчастичной кристаллической системе и принадлежит к структуре типа ильменита, с решеткой ABO3 оксидно-октаэдрического остова. Кристаллическая структура LN и LT определяет их отличительные оптические свойства, которые находят уникальное применение в нелинейной оптике и электрофотонике.

Таблица 1 Информация о кристаллической структуре

3 Оптические свойства ниобата и танталата лития

Уникальная кристаллическая структура ниобата и танталата лития наделяет их отличительными оптическими свойствами. LN и LT - нелинейно-оптические кристаллы, характеризующиеся высокими квадратичными нелинейными оптическими коэффициентами, которые играют ключевую роль в различных нелинейно-оптических процессах, включая удвоение частоты, смешивание, суммирование и генерацию разности. Они обладают значительными электрооптическими коэффициентами, свидетельствующими об их способности изменять показатель преломления под действием приложенного электрического поля, что делает их идеальными для использования в электрооптических модуляторах и оптических переключателях. Кроме того, и LN, и LT демонстрируют двулучепреломление, проявляющееся в наличии двух различных показателей преломления в кристалле, тем самым проявляя поляризационную избирательность по отношению к падающему свету в определенных направлениях. Широкое окно прозрачности, охватывающее видимый и инфракрасный спектральные диапазоны, подчеркивает их значение для таких областей применения, как оптическая связь и лазерные технологии.

Кристаллы ниобата лития демонстрируют фоторефрактивный эффект, при котором показатель преломления претерпевает неоднородные изменения под воздействием интенсивного светового облучения. Первоначально это явление создавало проблемы, нарушая условия фазового согласования и снижая эффективность преобразования удвоенной частоты. Однако последующие исследования показали, что этот эффект можно использовать для голографического хранения данных, хотя для его смягчения требуется облучение или высокотемпературная обработка. В настоящее время фоторефрактивный эффект служит фундаментальным инструментом в оптической обработке информации, находя применение в оптических накопителях, голографических дисплеях, пространственной модуляции, всеоптическом дифференцировании времени и обработке изображений. Тем не менее, устройства, использующие эти кристаллы, могут испытывать значительное рассеяние света, называемое "веерным" шумом, при высоких интенсивностях света. Кроме того, увеличенное время отклика кристалла может искажать воспроизведение информации, что создает проблемы в удовлетворении требований к высококачественным, быстро реагирующим и долго хранящимся приложениям.

Кристаллы танталата лития по многим свойствам схожи с кристаллами ниобата лития: та же кристаллическая структура, ферроэлектрики при комнатной температуре и нестехиометрический состав. Кристаллы LT стали одним из самых популярных фоторефрактивных материалов для голографического хранения, поскольку они обладают теми же преимуществами хранения, что и кристаллы LN: массивность, долговременная стабильность и многократное стирание. Хотя танталат лития и ниобат лития относятся к одному типу, между этими двумя кристаллами есть некоторые различия, например, кристалл LT более выдающийся по фоторефрактивному сопротивлению, чем кристалл LN, который превосходит его более чем на два порядка.

Таблица 2 Свойства LN и LT

4 Электрические свойства ниобата и танталата лития

Ферроэлектричество и пьезоэлектрический эффект

Ниобат лития (LN) и танталат лития (LT) относятся к классу ферроэлектрических кристаллов, отличающихся уникальными электрическими свойствами. Ферроэлектрические кристаллы обладают ферроэлектричеством, при котором они могут быть поляризованы в ответ на приложенное электрическое поле и сохранять эту поляризацию даже после деполяризации до тех пор, пока не будет приложено противоположное электрическое поле. Эта особенность обусловлена их нецентросимметричной кристаллической структурой. Ферроэлектрические кристаллы находят широкое применение в электронике и оптике, в частности при создании конденсаторов, датчиков и устройств памяти.

Пьезоэлектрический эффект относится к диэлектрику в определенном направлении под действием внешних сил и деформации, явлению его внутренней поляризации, при этом в среде двух противоположных поверхностей возникает положительный и отрицательный заряд. Когда внешняя сила снимается, он восстанавливается до незаряженного состояния, это явление называется положительным пьезоэлектрическим эффектом. При изменении направления действия силы полярность заряда также меняется. Кристаллы, обладающие пьезоэлектрическим эффектом, называются пьезоэлектрическими кристаллами. Ячейка пьезоэлектрического кристалла асимметрична, но при этом она может существовать в электрически нейтральном равновесии. Когда на поверхность кристалла оказывается давление, кристаллическая структура деформируется, и атомы сталкиваются друг с другом, генерируя электрический ток и завершая трансформацию механической силы в электрическую; когда к пьезоэлектрическому кристаллу прикладывается электрический ток, кристалл расширяется и сжимается, и трансформация электрического тока в механическую энергию может быть реализована.

LN и LT: превосходные пьезоэлектрические материалы

Кристаллы ниобата лития и танталата лития являются типичными пьезоэлектрическими материалами с превосходными пьезоэлектрическими свойствами, по сравнению с широко используемыми пьезоэлектрическими кристаллами кварца, кристаллы ниобата лития и танталата лития обладают превосходным пьезоэлектрическим эффектом и эффектом электромеханической связи, могут быть подготовлены для высокочастотных устройств, поэтому кристаллы ниобата лития могут быть использованы для резонаторов, преобразователей, линий задержки, фильтров и т. д., Применяется в мобильной связи, спутниковой связи, цифровой обработке сигналов, телевизорах, Используется в мобильной связи, спутниковой связи, цифровой обработке сигналов, телевидении, радиовещании, радарах, телеметрии дистанционного зондирования и других гражданских областях, а также электронных средствах противодействия, взрывателях, наведениях и других военных областях, из которых наиболее широко используется фильтр поверхностных акустических волн (ФПАВ), который широко применяется в области ФПАВ фильтров, пьезоэлектрических преобразователей и других областях.

Явление изменения интенсивности спонтанной поляризации полярного кристалла при изменении внешней температуры называется пироэлектрическим эффектом. Кристаллы, обладающие этим свойством, называют пироэлектрическими кристаллами. Фундаментальной характеристикой ферроэлектрических кристаллов является то, что они обладают пироэлектрическим эффектом, который может быть получен без приложения дополнительного электрического поля. Ферроэлектрические кристаллы, опустившись ниже своей температуры Кюри, спонтанно претерпевают определенную степень фазового перехода из-за отсутствия колебательных мод в кристаллической решетке, что приводит к асимметрии в определенных направлениях. Если пироэлектрик нагреть (dT/dt>0), то в этот момент диполи в материале теряют ориентацию из-за тепловых колебаний, и уровень спонтанной поляризации уменьшается. Если материал находится в состоянии разомкнутой цепи, свободный заряд остается на поверхности электрода и создает потенциал на материале. Если материал находится в состоянии короткого замыкания, то между двумя поляризованными поверхностями материала возникает ток. Аналогично, если пироэлектрик охладить (dT/dt < 0), диполь восстановит свою ориентацию, что приведет к увеличению уровня спонтанной поляризации, в результате чего свободный заряд будет притягиваться к полярным поверхностям, тем самым изменяя направление тока в условиях короткого замыкания.

5 Области применения ниобата и танталата лития

5.1 ПАВ-фильтры

Фильтры в ПАВ-устройствах: Фильтры в ПАВ-устройствах были изучены более подробно. Фильтры обладают такими преимуществами, как низкие потери при передаче, высокая надежность, высокая гибкость изготовления, аналоговая/цифровая совместимость, отличная частотная избирательность и возможность реализации широкого спектра сложных функций. Материалы, используемые для изготовления фильтров, обычно требуют хорошей плоскостности поверхности, высоких коэффициентов электромеханической связи, низких потерь на распространение, низкотемпературных коэффициентов, хорошей повторяемости, высокой надежности, массового производства и низкой стоимости.

Коэффициенты электромеханической связи танталата лития и ниобата лития выше, чем у кварца, и кристаллы танталата лития могут реализовать относительную полосу пропускания от 6 до 7 %, а ниобата лития - от 10 до 12 %, но температурные коэффициенты танталата лития и ниобата лития выше, Кристаллы танталата лития с X-образной огранкой имеют нулевую температурную касательную, поэтому точку нулевого температурного коэффициента можно контролировать путем точного управления точностью касательной. Точка нулевого температурного коэффициента может контролироваться в диапазоне комнатных температур путем точного управления точностью огранки, что позволяет использовать ее для изготовления высокочастотных и широкополосных фильтров.

Резонатор фильтров: Резонатор является основным элементом фильтра, и его характеристики оказывают большое влияние на работу фильтра. С ростом спроса на высокопроизводительные фильтры в коммуникационных терминалах, резонаторные SAW-фильтры широко используются для решения проблем малых размеров, низкого энергопотребления и низких вносимых потерь. Основным элементом схемы резонаторного SAW-фильтра является резонатор. ПАВ, возбуждаемый вилочно-пальцевым преобразователем, отражается от двух отражающих решеток и обратно, образуя резонанс, и путем регулировки резонансной частоты резонатора и антирезонансной частоты резонатора можно синтезировать низкочастотные, высокочастотные, полосно-пропускающие и полосно-отклоняющие фильтры. Резонатор может увеличить резонансную частоту и центральную частоту фильтра, и уменьшить внеполосное отклонение фильтра, резонаторного типа SAW фильтр рабочей частоты, как правило, 10MHz ~ 1GHz, с вносимыми потерями 1 ~ 5dB. лития танталата, как центр композитного материала в качестве резонатора элемента Q значение выше, генерация нескольких гармоник играет роль.

5.2 Осцилляторы

Осциллятор - это устройство, преобразующее энергию постоянного тока в энергию переменного тока на определенной частоте, обычно достигаемой с помощью осцилляторной цепи. Осцилляторы работают за счет преобразования энергии между магнитным и электрическим полями, обеспечивая свободные колебания. Они обычно делятся на RC-генераторы, LC-генераторы и кристаллические генераторы. Кристаллические осцилляторы используют пьезоэлектрический эффект, при котором напряжение, подаваемое на полюса кристаллической пластины, деформирует кристалл, создавая напряжение на пластине. Хотя кварц часто используется из-за его малого температурного коэффициента и хорошей температурной стабильности, низкий коэффициент электромеханической связи кварца ограничивает его возможности по достижению высоких частот и широкой полосы пропускания в фильтрах. В попытках улучшить характеристики осцилляторов последние исследования были направлены на использование пластин танталата лития, что позволило улучшить характеристики устройств, миниатюризировать их и повысить частоты.

5.3 Пироэлектрические детекторы

Пироэлектрические детекторы работают за счет теплообмена с окружающей средой посредством тепловой конвекции, теплопроводности и теплового излучения. Принцип работы заключается в адсорбции электронов на поверхности пироэлектрических материалов, в результате чего образуется нейтральная поверхность. При воздействии тепла температура поверхности изменяется, что приводит к изменению электрического дипольного момента материала. Чтобы сохранить нейтральность поверхности, материал высвобождает электрический заряд. Пироэлектрические датчики обладают такими преимуществами, как высокая скорость обнаружения, широкий диапазон рабочих частот, экономичность, простота конструкции и быстрое время отклика. В качестве детектирующих элементов пироэлектрических датчиков используются керамика, монокристаллы и тонкие пленки. К числу распространенных керамических материалов относятся ниобат танталата калия и титанат цирконата свинца, а монокристаллы обычно состоят из ниобата и танталата лития. В качестве тонких пленок обычно используются пленки танталата лития и титаната цирконата свинца. Кристаллы танталата лития предпочтительны для пироэлектрических детекторов благодаря их благоприятному пироэлектрическому коэффициенту, точке Кюри и диэлектрической проницаемости.

5.4 Переключатели добротности

Технология настройки добротности лазера основана на специальном оптическом компоненте: быстром внутриполостном оптическом переключателе, обычно называемом переключателем добротности или Q-переключателем. Величина добротности - это показатель качества оптического резонанса в лазере. Чем выше Q-величина, тем ниже требуемый порог накачки и тем легче лазер колеблется. Целью технологии настройки добротности лазера является сжатие ширины импульса и увеличение пиковой мощности. В настоящее время широко используемый Q-переключатель включает в себя электрооптическую Q-технологию, акустооптическую Q-технологию, насыщающийся поглощающий краситель Q, и Cr4 + ∶ YAG насыщающийся поглощающий Q. Новые лазерные Q-технологии постоянно разрабатываются и применяются, включая активные Q и пассивные Q, комбинацию активных и пассивных Q, двойную Q-технологию, двойную пассивную Q-технологию, Q-режим с блокировкой.

В настоящее время подавляющее большинство наносекундных импульсных лазеров изготовлены по электрооптической Q технологии, электрооптической Q технологии, основным материалом является электрооптический Q кристалл, электрооптические Q кристаллы, обычно используемые электрооптические Q кристаллы включают кристаллы ди-дейтерий фосфата калия, кристаллы танталата лития, кристаллы ниобата лития и кристаллы оксид-титан фосфата рубидия. Кристаллы танталата лития обладают стабильной работой, не расслаиваются и имеют высокий порог повреждения, поэтому используются чаще.

5.5 Голографическое хранение

В XX веке с быстрым развитием информационных наук и технологий стали очевидны недостатки магнитных лент, дисков и CD-ROM в удовлетворении растущего спроса на хранение данных. В связи с этим в качестве многообещающей альтернативы появились оптические системы хранения данных, а преломляющая голографическая система хранения данных была признана основным претендентом на создание следующего поколения оптических технологий хранения данных. Голографические устройства хранения данных обладают значительно большей емкостью по сравнению с традиционной одномерной и двумерной памятью, причем емкость увеличивается пропорционально третьей мощности обратной длины волны света.

Несмотря на значительные преимущества фоторефрактивной голографической трехмерной памяти, такие как компактный размер, увеличенная емкость и более высокая скорость передачи данных, отсутствие идеальных фоторефрактивных материалов было заметной проблемой. Хотя кристаллы ниобата лития (LN) с фоторефрактивными эффектами показали себя перспективными для применения в голографической памяти, их практическому применению мешают такие ограничения, как низкая эффективность дифракции насыщения, низкая скорость отклика и нестабильность. Для решения этих проблем кристаллы LN легируются другими элементарными материалами, такими как Fe, Mn и In, с целью повышения их эффективности и перспективности для практического применения.

6 Получение ниобата и танталата лития

6.1 Получение ниобата лития

6.1.1 Получение гомокомпонентного ниобата лития

Гомокомпонентный ниобат лития часто получают методом подъема тигля. На качество кристаллов танталата лития обычно влияют соотношение сырья, скорость вытягивания, качество затравочных кристаллов, форма и тип тигля. Преимуществами метода прямого вытягивания являются простота оборудования, легкость в эксплуатации и легировании.

6.1.2 Получение ниобата лития с близким стехиометрическим соотношением

Метод двойного пролива, оснащенный устройством непрерывной загрузки, является наиболее зрелым и коммерчески жизнеспособным методом выращивания кристаллов ниобата лития (nSLN) из богатых литием расплавов. Однако метод с двойным тиглем сопряжен с трудностями, включая сложность оборудования, сложность контроля роста кристаллов и низкую скорость роста из-за несоответствия компонентов расплава и кристалла. Эти факторы приводят к низким выходам и дороговизне кристаллов, что ограничивает их широкое применение.

Другим распространенным методом является диффузионный метод, при котором кристаллы nSLN получают путем диффузии лития в кристаллы CLN в подходящей атмосфере, богатой литием, под влиянием температуры и времени диффузии. Оптически однородные кристаллы nSLN могут быть получены без включений или рассеивающих частиц, вплоть до практических уровней, при условии, что диффузионная подложка обладает высокой оптической однородностью. Тем не менее, большинство диффузионных методов, описанных в литературе, позволяют получить Z-образные подложки nSLN с малой толщиной. Толстые или не Z-образные подложки могут привести к растрескиванию или даже разрушению пластины после диффузионной обработки. В практических оптических приложениях часто требуются большие размеры, чтобы удовлетворить спецификации сквозной апертуры и оптического пути. Кроме того, диффузионный метод сталкивается с проблемами, связанными с коррозией пластин, переработкой богатого литием сырья, подготовкой партий и согласованностью партий компонентов кристалла, что влияет на общую экономическую эффективность.

6.2 Получение танталата лития

6.2.1 Получение гомокомпонентного танталата лития

Кристаллы танталата лития одинакового состава часто получают путем смешивания высокочистого пентоксида тантала и высокочистого карбоната лития в стехиометрическом соотношении 0,95:1 (молярное соотношение) и использования метода вытягивания из тигля. На качество кристаллов танталата лития обычно влияют соотношение сырьевых материалов, скорость вытягивания, качество затравочных кристаллов, форма и тип тигля и другие факторы. Кристаллы танталата лития нарезаются, чернятся, шлифуются, снимаются фаски и очищаются для получения пластин танталата лития. Преимуществами метода прямого волочения являются простота оборудования, удобство эксплуатации и легирования. Метод блистера, метод штамповки и метод температурного градиента также могут использоваться для получения кристаллов танталата лития с тем же составом, но они менее распространены, учитывая стоимость подготовки, качество кристаллов и сложность процесса.

6.2.2 Получение танталата лития с близким стехиометрическим соотношением

Приготовление кристаллов танталата лития с близким стехиометрическим соотношением затруднено, и существующие методы приготовления кристаллов танталата лития с близким стехиометрическим соотношением включают в основном метод двойного тигля, метод вытягивания потока, метод зонной плавки и метод равновесного газофазного обмена.

Метод двойного тигля: Метод двойного тигля заключается в непрерывном добавлении расплава в тигель в процессе приготовления кристаллов, чтобы сохранить состав расплава в тигле неизменным, что позволяет получить кристаллы танталата лития с почти стехиометрическим соотношением. Кристаллы танталата лития с почти стехиометрическим соотношением, приготовленные методом двух тиглей, однородны, но процесс сложный и дорогостоящий, а межфазное разделение твердой и жидкой фаз приводит к появлению большого количества бахромы роста в выращенных кристаллах.

Метод вытягивания флюса: Метод вытягивания флюса заключается в добавлении флюса в кристалл-расплав для регулировки температуры плавления кристалла, и обычно используется флюс K2O. Этот метод менее сложен, но флюс легко попадает в кристалл, а при увеличении доли флюса состав расплава меняется по мере роста кристалла, и трудно обеспечить однородность готовых кристаллов.

Метод зонной плавки: Метод зонной плавки заключается в использовании тепловой энергии на одном конце полупроводникового бруска для создания зоны плавления, а затем сплавления с монокристаллом затравки, регулировки температуры таким образом, чтобы зона плавления медленно перемещалась к другому концу бруска, через весь брусок для завершения подготовки кристаллов. Кристаллы, выращенные этим методом, имеют равномерное распределение состава, экономию энергии, высокую степень использования сырья и высокое качество кристаллов.

Метод равновесного газофазного обмена: Самым большим преимуществом метода равновесного газофазного обмена является то, что содержание Li в кристаллах можно контролировать в процессе выращивания, и можно получать любые образцы танталата лития с известным содержанием Li в соответствии с реальным спросом, но этот метод требует много времени для обработки кристаллов и подходит для подготовки листовых образцов большого размера, и трудно получить большие и равномерные стехиометрические соотношения монокристаллов.

Таблица 3 Сравнение различных методов получения танталата лития с близким стехиометрическим соотношением

7 Заключение

Ниобат и танталат лития обладают превосходными нелинейно-оптическими и оптоэлектронными свойствами и могут быть использованы в оптических приборах, таких как фильтры, электрооптические устройства, пьезоэлектрические и пироэлектрические компоненты, а также голографические накопители. Ниобат лития может быть предпочтительным для голографических устройств хранения данных, где требуется более высокое разрешение и качество изображения, в то время как тантал лития предпочтителен в сценариях, где фоторефрактивные эффекты должны быть сведены к минимуму. С точки зрения подготовки, метод вытягивания кристалла по-прежнему является самым основным методом подготовки, а различные типы ЛТ готовятся различными методами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки, и общий процесс является более сложным.

Ниобат и танталат лития, являясь превосходными оптическими, фотоэлектрическими, пьезоэлектрическими и термоэлектрическими материалами, доступны в Stanford Advanced Materials, и вы можете проконсультироваться со специалистами компании SAM, если у вас есть более конкретные сценарии и вопросы по их использованию в практических приложениях.

Страницы продукта:

CY0027 Пластины танталата лития (LiTaO3 Wafers)

CY0066 Пластины из ниобата лития (LiNbO3 Wafers)

Ссылки

[1] Xiao, X., Xu, Q., Liang, S. et al. Получение, электрические, тепловые и механические свойства околостехиометрических пластин танталата лития. J Mater Sci: Mater Electron 33, 20668-20677 (2022). https://doi.org/10.1007/s10854-022-08878-3

[2] KIMURA T, OMURA M, KISHIMOTO Y, et al. Сравнительное исследование акустических волновых устройств с использованием тонких пьезоэлектрических пластин в диапазоне 3~5 ГГц [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019, 67(3): 915-921.

[3] RUBY R, GILBERT S, LEE S K, et al. Novel temperature-composed, silicon SAW design for filter integration [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2021, 31(6): 674-677.