一文看懂鈮酸鋰晶體特性及其應用
發布時間：2023-11-13 21:24:00 閱讀數：101
鈮酸鋰初識
鈮酸鋰是一種雙折射非線性晶體，具有優異的力學、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晶體表現出優異的穩定性，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。這種穩定性確保它們在高溫環境下保持功能，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，具有較高的聲光優值。這種晶體可以有效地耦合聲波和光波，允許使用聲音調制光線。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表現出卓越的化學穩定性，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，包括調制器和開關。它具有優異的波導特性，可以實現集成光學。
2.電信。在電信行業，LiNbO3晶體用于調制器等元件。這些晶體可以實現更快的信號傳輸，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。其高聲光優值使其非常適合可調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。
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制器的理想選擇。這些設備可以使用電信號調制給定頻率的光波，這在光學通信系統中非常重要。
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。由于其高電光系數和低半波電壓，它們表現出色。
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。在數據存儲領域，LiNbO3晶體在全息存儲系統中發揮作用。由于其光折變效應，它們可以在三維中存儲數據，相比傳統數據存儲技術可以增加存儲容量。
圖1. 基于鈮酸鋰晶體實現刷新頻率為60 Hz的動態全息顯示
11.生物醫學應用。在生物醫學領域，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揮作用，實現成像和治療應用。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在生物醫學領域的貢獻不可低估。
12.微電子機械系統（MEMS）。微電子機械系統（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，從電信到醫學診斷。
16.環境監測。LiNbO3對環境變化的敏感性被用于環境監測。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的變化。因此，LiNbO3有助于維護和改善環境健康與安全。
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，從電信到醫學診斷。
18.環境監測。LiNbO3對環境變化的敏感性被用于環境監測。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的變化。因此，LiNbO3有助于維護和改善環境健康與安全。
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的壓電特性和優異的溫度穩定性有助于其在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，顯著提高了系統的性能。
圖4.鈮酸鋰（LiNbO3）-SAW濾波器
2.SAW振蕩器。LiNbO3優異的壓電特性在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，提供穩定的信號，用于從電信到工業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，有效地創造出所需的延遲。
4.SAW傳感器。在檢測物理或化學現象的SAW傳感器中，利用LiNbO3的壓電特性。這些傳感器可以監測壓力、溫度或化學濃度等參數，對環境監測和醫療保健等領域產生重大影響。
5.SAW諧振器。LiNbO3在SAW諧振器中經常被使用，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，為集成光子學的發展提供戰略性基礎支撐。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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