一文看懂鈮酸鋰晶體特性及其應用
發(fā)布時間：2023-11-13 21:24:00 閱讀數(shù)：89
鈮酸鋰初識
鈮酸鋰是一種雙折射非線性晶體，具有優(yōu)異的力學、熱學、光學、聲學和電學性質，比如較高的折射率~2.2、較寬的透明窗口350 nm ~ 5 μm、超強的二階d33=27 pm/V和三階n2=1.8×10-19 m2/W非線性光學響應，以及電光效應、壓電效應、光彈效應、光折變效應等。
鈮酸鋰晶體的特性
1.熱性能。熱學上，LiNbO3晶體表現(xiàn)出優(yōu)異的穩(wěn)定性，具有較高的居里溫度，通常約為1142°C，這意味著它們能夠在高溫下保持壓電特性。這種穩(wěn)定性確保它們在高溫環(huán)境下保持功能，增加了它們在高溫應用中的實用性。
2.機械特性。在機械上，LiNbO3相對堅硬且耐用。該晶體的硬度約為莫氏硬度5，類似于玻璃或牙釉質。這種特性增強了其對物理應力的抵抗能力，使其成為需要機械韌性應用的理想選擇。
3.聲光特性。LiNbO3的聲光特性令人印象深刻，具有較高的聲光優(yōu)值。這種晶體可以有效地耦合聲波和光波，允許使用聲音調(diào)制光線。這個特性在聲光設備中得到廣泛應用。
4.鐵電特性。LiNbO3是一種鐵電晶體，意味著它具有可以通過外加電場反轉的自發(fā)電極化。這種特性在存儲設備、電光器件和其他需要控制電極化的應用中得到利用。
5.物理特性。LiNbO3晶體的一個重要屬性是其顯著的光學非線性，這有助于其在光學中的廣泛應用。該晶體表現(xiàn)出雙折射，可以將光束分成兩束正交極化的光線。
6.化學特性。LiNbO3表現(xiàn)出卓越的化學穩(wěn)定性，這增加了它在多個應用中的吸引力。它對水和其他化學物質具有很高的抵抗力，使其適用于需要抵御化學反應的應用。
7.電學特性。作為壓電材料，LiNbO3具有對機械應力產(chǎn)生電荷的獨特能力。這個特性在各種設備中得到利用，包括傳感器和換能器。
8.光學特性。LiNbO3鈮酸鋰（LiNbO3）晶體展示出卓越的光學特性。它們在可見光到中紅外區(qū)域具有高透過能力。這種寬波段透過范圍使它們在光學應用中起到關鍵作用。
鈮酸鋰晶體的應用
1.光電子學。在光電子學中，LiNbO3卓越的電光特性使其成為各種設備的首選，包括調(diào)制器和開關。它具有優(yōu)異的波導特性，可以實現(xiàn)集成光學。
2.電信。在電信行業(yè)，LiNbO3晶體用于調(diào)制器等元件。這些晶體可以實現(xiàn)更快的信號傳輸，提高通信效率。
3.聲光學。聲光學器件在很大程度上依賴于LiNbO3的特性。其高聲光優(yōu)值使其非常適合可調(diào)濾波器和頻率轉換器等設備。
4.非線性光學。非線性光學是另一個LiNbO3的亮點領域。它廣泛用于頻率轉換過程，如二次諧波生成，這要歸功于其高非線性光學系數(shù)。
5.激光器。LiNbO3卓越的光學特性使其成為激光技術中的首選材料。其廣泛的透明度范圍和高損傷閾值使其適用于高功率、頻率加倍激光器和波導激光器。
6.電光調(diào)制器。LiNbO3強大的電光效應和高速響應使其成為制造高速電光調(diào)制器的理想選擇。這些設備可以使用電信號調(diào)制給定頻率的光波，這在光學通信系統(tǒng)中非常重要。
7.Q開關。LiNbO3晶體被用作激光器的Q開關的活性材料，這是控制激光光強度的設備。由于其高電光系數(shù)和低半波電壓，它們表現(xiàn)出色。
8.紅外探測器。LiNbO3晶體的廣泛透射范圍，特別是在中紅外區(qū)域，使其適用于紅外探測器。這些設備在熱成像、夜視和光譜學等應用中至關重要。
9.傳感器技術。在傳感器技術中，LiNbO3的壓電特性凸顯出來。它對施加的機械應力產(chǎn)生電荷的能力使LiNbO3非常適合各種傳感器，包括壓力傳感器、聲學傳感器和振動傳感器。
10.全息存儲。在數(shù)據(jù)存儲領域，LiNbO3晶體在全息存儲系統(tǒng)中發(fā)揮作用。由于其光折變效應，它們可以在三維中存儲數(shù)據(jù)，相比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲技術可以增加存儲容量。
圖1. 基于鈮酸鋰晶體實現(xiàn)刷新頻率為60 Hz的動態(tài)全息顯示
11.生物醫(yī)學應用。在生物醫(yī)學領域，LiNbO3的獨特特性以各種方式得到利用。例如，其壓電特性在超聲技術中發(fā)揮作用，實現(xiàn)成像和治療應用。從超聲刀設備到用于非侵入性外科手術的高強度聚焦超聲（HIFU），LiNbO3在生物醫(yī)學領域的貢獻不可低估。
12.微電子機械系統(tǒng)（MEMS）。微電子機械系統(tǒng)（MEMS）從LiNbO3的多樣性特性中受益。由于其壓電、熱電和電光特性，LiNbO3被用于MEMS設備，包括微致動器、微傳感器和能量收集器。
圖2.?LiNbO3?MEMS
13.光伏器件。在用于太陽能轉換的光伏器件中，LiNbO3顯示出潛力。晶體的寬能隙和強吸收光能力使其成為太陽能電池的吸引材料。目前正在進行研究，以利用這一特性來改善能量收集。
14.量子計算。作為現(xiàn)代計算的前沿領域，量子計算利用LiNbO3的非線性光學特性。該晶體用于開發(fā)量子門和其他量子信息處理設備，這些設備承諾顯著增強的計算能力。
圖3. 通過薄膜鈮酸鋰集成電光調(diào)制器改變單光子顏色
15.光子學和集成光學。LiNbO3是光子學和集成光學領域的關鍵材料。憑借其優(yōu)異的電光和非線性光學特性，它用于制造各種光子學元件，包括波導放大器、激光器、調(diào)制器和開關。這些組件對于在各種應用中傳輸、操控和檢測光線至關重要，從電信到醫(yī)學診斷。
16.環(huán)境監(jiān)測。LiNbO3對環(huán)境變化的敏感性被用于環(huán)境監(jiān)測。基于這種晶體的傳感器用于檢測溫度、濕度、壓力和氣體濃度等參數(shù)的變化。因此，LiNbO3有助于維護和改善環(huán)境健康與安全。
17.光子學和集成光學。LiNbO3是光子學和集成光學領域的關鍵材料。憑借其優(yōu)異的電光和非線性光學特性，它用于制造各種光子學元件，包括波導放大器、激光器、調(diào)制器和開關。這些組件對于在各種應用中傳輸、操控和檢測光線至關重要，從電信到醫(yī)學診斷。
18.環(huán)境監(jiān)測。LiNbO3對環(huán)境變化的敏感性被用于環(huán)境監(jiān)測。基于這種晶體的傳感器用于檢測溫度、濕度、壓力和氣體濃度等參數(shù)的變化。因此，LiNbO3有助于維護和改善環(huán)境健康與安全。
表面聲波（SAW）器件
SAW器件在電信和信號處理等領域中應用廣泛。LiNbO3的壓電特性和優(yōu)異的溫度穩(wěn)定性有助于其在SAW器件中的廣泛使用。
1.SAW濾波器。由于其出色的壓電和溫度補償特性，LiNbO3通常用于SAW濾波器。這些濾波器在無線通信系統(tǒng)中至關重要，它們選擇所需的頻率帶并拒絕不需要的頻率，顯著提高了系統(tǒng)的性能。
圖4.鈮酸鋰（LiNbO3）-SAW濾波器
2.SAW振蕩器。LiNbO3優(yōu)異的壓電特性在SAW振蕩器中得到了利用。這些器件將直流電源轉換為特定的頻率，提供穩(wěn)定的信號，用于從電信到工業(yè)過程控制等各種應用中。
3.SAW延遲線。SAW延遲線可以將電信號延遲一段特定的時間間隔，而LiNbO3通常在這方面使用。這個晶體的壓電特性使得它可以將電信號轉換成聲波，反之亦然，有效地創(chuàng)造出所需的延遲。
4.SAW傳感器。在檢測物理或化學現(xiàn)象的SAW傳感器中，利用LiNbO3的壓電特性。這些傳感器可以監(jiān)測壓力、溫度或化學濃度等參數(shù)，對環(huán)境監(jiān)測和醫(yī)療保健等領域產(chǎn)生重大影響。
5.SAW諧振器。LiNbO3在SAW諧振器中經(jīng)常被使用，這些諧振器對于各種電子和通信設備至關重要。其穩(wěn)定的壓電行為使其能夠生成精確的頻率，確保準確可靠的信號處理。
圖5.基于懸空LiNbO3薄膜的LVR器件
總結
鈮酸鋰晶體集多種光電性能于一體且能夠達到實用化性能要求，在光電材料中非常罕見。隨著鈮酸鋰晶體集成光子學芯片理論、制備及應用等核心技術的發(fā)展與完善，鈮酸鋰晶體成為光子時代的“光學硅”材料，為集成光子學的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎支撐。鈮酸鋰（LiNbO3）晶體無疑是科學和技術領域的強大力量。它多面的特性，涵蓋了光學、電學、化學和機械等多個維度，為利用該晶體的獨特能力開啟了大量的應用領域。
來源：壓電晶體材料分會公眾號
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