Lithiumtantalat vs. Lithiumniobat-Wafer: Ein umfassender Vergleich für Technik-Enthusiasten

1 Einleitung

Lithiumniobat (LiNbO3, LN) und Lithiumtantalat (LiTaO3, LT) sind beides multifunktionale kristalline Materialien mit ausgezeichneter Leistung. Was die optischen Eigenschaften betrifft, so haben sie elektrooptische, akustooptische und nichtlineare optische Eigenschaften und können als Filter usw. verwendet werden. Lithiumniobat hat außerdem einen einzigartigen photorefraktiven Effekt, der es ermöglicht, es in einem neuen Bereich der holografischen Speicherung einzusetzen. Im elektrischen Bereich haben Lithiumniobat und Lithiumtantalat neben den elektro-optischen Eigenschaften auch piezoelektrische und pyroelektrische Effekte, die als piezoelektrische Substrate und pyroelektrische Detektionseinheiten weit verbreitet sind.

In diesem Artikel werden Lithiumniobat- und Lithiumtantalat-Materialien anhand ihrer Kristallstruktur, ihrer optischen Eigenschaften, ihrer elektrischen Eigenschaften, ihres Anwendungsbereichs und ihres Herstellungsverfahrens usw. vorgestellt, um Ihnen einen sicheren Anhaltspunkt für die Auswahl von Anwendungsmaterialien zu geben.

Kristallstrukturen von Lithiumniobat und Lithiumtantalat

LN gehört zum dreiteiligen Kristallsystem mit der 3m-Punktgruppe und der R3c-Raumgruppe und dreifacher Rotationssymmetrieachse, und es wird in zwei Arten von Lithiumniobat nahe der Stöchiometrie (SLN) und Lithiumisotaktisches Niobat (CLN) unterteilt. LT gehört ebenfalls zum dreiteiligen Kristallsystem und zur Ilmenit-Struktur mit dem ABO3-Gitter des oxy-oktaedrischen Grundgerüsts. Die Kristallstruktur von LN und LT bestimmt ihre besonderen optischen Eigenschaften, die einzigartige Anwendungen in der nichtlinearen Optik und Elektrophotonik haben.

Tabelle 1: Informationen zur Kristallstruktur

3 Optische Eigenschaften von Lithiumniobat und Lithiumtantalat

Die einzigartige Kristallstruktur von Lithiumniobat und Lithiumtantalat verleiht ihnen unverwechselbare optische Eigenschaften. LN und LT sind nichtlineare optische Kristalle, die sich durch hohe quadratische nichtlineare optische Koeffizienten auszeichnen, die bei verschiedenen nichtlinearen optischen Prozessen wie Frequenzverdopplung, Mischen, Summieren und Differenzbildung eine zentrale Rolle spielen. Sie weisen signifikante elektrooptische Koeffizienten auf, die auf ihre Fähigkeit hinweisen, den Brechungsindex unter angelegten elektrischen Feldern zu ändern, was sie ideal für den Einsatz in elektrooptischen Modulatoren und optischen Schaltern macht. Darüber hinaus weisen sowohl LN als auch LT eine Doppelbrechung auf, die sich durch das Vorhandensein von zwei unterschiedlichen Brechungsindizes innerhalb des Kristalls manifestiert, wodurch sie eine Polarisationsselektivität für einfallendes Licht in bestimmten Richtungen aufweisen. Ihr breites Transparenzfenster, das den sichtbaren und den infraroten Spektralbereich abdeckt, unterstreicht ihre Bedeutung in Anwendungen wie der optischen Kommunikation und der Lasertechnik.

Lithiumniobatkristalle weisen einen photorefraktiven Effekt auf, bei dem sich der Brechungsindex bei intensiver Lichteinstrahlung inhomogen verändert. Ursprünglich stellte dieses Phänomen ein Problem dar, da es die Phasenanpassung störte und die Effizienz der Frequenzverdopplung verringerte. Spätere Forschungen ergaben jedoch, dass dieser Effekt für die holografische Speicherung genutzt werden kann, auch wenn zur Abschwächung eine Bestrahlung oder Hochtemperaturbehandlung erforderlich ist. Gegenwärtig ist der photorefraktive Effekt ein grundlegendes Instrument der optischen Informationsverarbeitung, das bei der optischen Speicherung, bei holografischen Displays, bei der räumlichen Modulation, bei der rein optischen Zeitdifferenzierung und bei der Bildverarbeitung Anwendung findet. Bei Geräten, die diese Kristalle verwenden, kann es jedoch bei hohen Lichtintensitäten zu erheblichen lichtinduzierten Streuungen kommen, die als "Fächerrauschen" bezeichnet werden. Darüber hinaus kann die verlängerte Reaktionszeit des Kristalls die Informationswiedergabe verzerren, was die Erfüllung der Anforderungen an qualitativ hochwertige, schnell reagierende und lang anhaltende Anwendungen erschwert.

Lithiumtantalatkristalle haben viele ähnliche Eigenschaften wie Lithiumniobatkristalle, wie z. B. die gleiche Kristallstruktur, Ferroelektrizität bei Raumtemperatur und nicht-stöchiometrische Zusammensetzung. Vor allem in der holografischen Speicherung sind LT-Kristalle zu einem der beliebtesten photorefraktiven Materialien für die holografische Speicherung geworden, da sie ähnliche Vorteile wie LN-Kristalle haben: massive Speicherung, Langzeitstabilität und wiederholtes Löschen. Obwohl Lithiumtantalat und Lithiumniobat vom gleichen Typ sind, gibt es einige Unterschiede zwischen diesen beiden Kristallen. So ist der LT-Kristall in Bezug auf die photorefraktive Beständigkeit herausragender als der LN-Kristall, der um mehr als zwei Größenordnungen höher ist als dieser.

Tabelle 2 Eigenschaften von LN und LT

4 Elektrische Eigenschaften von Lithiumniobat und Lithiumtantalat

Ferroelektrizität und piezoelektrischer Effekt

Sowohl Lithiumniobat (LN) als auch Lithiumtantalat (LT) gehören zur Klasse der ferroelektrischen Kristalle, die sich durch ihre einzigartigen elektrischen Eigenschaften auszeichnen. Ferroelektrische Kristalle besitzen Ferroelektrizität, d. h. sie können als Reaktion auf ein angelegtes elektrisches Feld polarisiert werden und behalten diese Polarisierung auch nach der Depolarisierung bei, bis sie einem entgegengesetzten elektrischen Feld ausgesetzt werden. Diese Eigenschaft ergibt sich aus ihrer nicht-zentrosymmetrischen Kristallstruktur. Ferroelektrische Kristalle finden wichtige Anwendungen in der Elektronik und Optik, insbesondere bei der Entwicklung von Kondensatoren, Sensoren und Speichergeräten.

Piezoelektrischer Effekt bezieht sich auf das Dielektrikum in einer bestimmten Richtung durch die Wirkung von externen Kräften und Verformung, seine interne Polarisation Phänomen, zur gleichen Zeit in das Medium der beiden gegenüberliegenden Oberflächen der positiven und negativen Ladung. Wenn die äußere Kraft entfernt wird, wird es in den ungeladenen Zustand wiederhergestellt werden, wird dieses Phänomen die positive piezoelektrische Effekt genannt. Wenn die Richtung der Kraft geändert wird, ändert sich auch die Polarität der Ladung. Kristalle mit einem piezoelektrischen Effekt werden als piezoelektrische Kristalle bezeichnet. Die Zelle eines piezoelektrischen Kristalls ist asymmetrisch, kann sich aber dennoch in einem elektrisch neutralen Gleichgewicht befinden. Wenn Druck auf die Oberfläche des Kristalls ausgeübt wird, verformt sich die Kristallstruktur und die Atome stoßen gegeneinander, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt und die Umwandlung von mechanischer Kraft in Elektrizität vollzogen wird.

LN und LT: Überlegene piezoelektrische Materialien

Lithiumniobatkristalle und Lithiumtantalatkristalle sind typische piezoelektrische Materialien mit ausgezeichneten piezoelektrischen Eigenschaften. Im Vergleich zu den üblicherweise verwendeten piezoelektrischen Quarzkristallen verfügen Lithiumniobatkristalle und Lithiumtantalatkristalle über einen ausgezeichneten piezoelektrischen Effekt und einen elektromechanischen Kopplungseffekt und können für Hochfrequenzgeräte vorbereitet werden, so dass Lithiumniobatkristalle für Resonatoren, Wandler, Verzögerungsleitungen, Filter usw. verwendet werden können, Er wird in der Mobilkommunikation, der Satellitenkommunikation, der digitalen Signalverarbeitung, dem Fernsehen, dem Rundfunk, dem Radar, der Fernerkundung, der Telemetrie und anderen zivilen Bereichen sowie in elektronischen Gegenmaßnahmen, Zündern, der Lenkung und anderen militärischen Bereichen eingesetzt, von denen der akustische Oberflächenwellenfilter (SAWF), der im Bereich der SAW-Filter, piezoelektrischen Wandler und anderen Bereichen weit verbreitet ist, am häufigsten verwendet wird.

Das Phänomen der Änderung der Intensität der spontanen Polarisation eines polaren Kristalls aufgrund einer Änderung der Außentemperatur wird als pyroelektrischer Effekt bezeichnet. Kristalle mit dieser Eigenschaft werden als Pyroelektrizität von Kristallen bezeichnet. Eine grundlegende Eigenschaft ferroelektrischer Kristalle ist, dass sie einen pyroelektrischen Effekt haben, der ohne zusätzliches elektrisches Feld erzeugt werden kann. Ferroelektrische Kristalle gehen nach Unterschreiten ihrer Curie-Temperatur spontan in einen gewissen Phasenübergang über, da im Kristallgitter keine Schwingungsmoden vorhanden sind, was zu einer Asymmetrie in bestimmten Richtungen führt. Wird das Pyroelektrikum erwärmt (dT/dt>0), verlieren die Dipole im Inneren des Materials aufgrund der thermischen Schwingungen ihre Ausrichtung, und die spontane Polarisation nimmt ab. Befindet sich das Material in einem offenen Stromkreis, verbleibt die freie Ladung auf der Elektrodenoberfläche und erzeugt ein Potenzial auf dem Material. Befindet sich das Material in einem Kurzschlusszustand, wird ein Strom zwischen den beiden polarisierten Oberflächen des Materials erzeugt. Wird das Pyroelektrikum abgekühlt (dT/dt < 0), nimmt der Dipol seine Ausrichtung wieder auf, was zu einem Anstieg der spontanen Polarisierung führt, wodurch die freie Ladung von den polaren Oberflächen angezogen wird und sich der Stromfluss unter Kurzschlussbedingungen umkehrt.

5 Anwendungen von Lithiumniobat und Lithiumtantalat

5.1 SAW-Filter

Filter in SAW-Geräten: Filter wurden in SAW-Geräten genauer untersucht. Filter haben die Vorteile eines geringen Übertragungsverlustes, einer hohen Zuverlässigkeit, einer hohen Flexibilität bei der Herstellung, einer Analog/Digital-Kompatibilität, einer ausgezeichneten Frequenzselektivität und der Möglichkeit, eine breite Palette komplexer Funktionen zu implementieren. Die für die Herstellung von Filtern verwendeten Materialien erfordern im Allgemeinen eine gute Oberflächenebenheit, hohe elektromechanische Kopplungskoeffizienten, geringe Übertragungsverluste, niedrige Temperaturkoeffizienten, gute Wiederholbarkeit, hohe Zuverlässigkeit, Massenproduktion und niedrige Kosten.

Die elektromechanischen Kopplungskoeffizienten von Lithiumtantalat und Lithiumniobat sind höher als die von Quarz, und Lithiumtantalatkristalle können eine relative Bandbreite von 6 bis 7 % erreichen, während Lithiumniobat eine relative Bandbreite von 10 bis 12 % erreichen kann, aber die Temperaturkoeffizienten von Lithiumtantalat und Lithiumniobat sind höher, und die Lithiumtantalat-Kristalle mit X-Schnitt haben eine Null-Temperatur-Tangente, so dass der Punkt des Null-Temperatur-Koeffizienten durch die genaue Kontrolle der Tangentenpräzision gesteuert werden kann. Der Punkt des Null-Temperatur-Koeffizienten kann im Raumtemperaturbereich durch genaue Kontrolle der Genauigkeit des Schnitts gesteuert werden, so dass er zur Herstellung von Hochfrequenz- und Großbandfiltern verwendet werden kann.

Der Resonator von Filtern: Der Resonator ist die Grundeinheit eines Filters, und seine Leistung hat einen großen Einfluss auf die Leistung des Filters. Angesichts der steigenden Nachfrage nach leistungsfähigeren Filtern in Kommunikationsendgeräten werden SAW-Filter mit Resonatoren häufig eingesetzt, um die Probleme der geringen Größe, des niedrigen Stromverbrauchs und der geringen Einfügungsdämpfung zu lösen. Das grundlegende Schaltungselement eines SAW-Filters vom Resonator-Typ ist der Resonator. Die vom Gabelfinger-Wandler angeregte SAW wird zwischen den beiden Reflexionsgittern hin- und herreflektiert, um eine Resonanz zu bilden. Durch Einstellen der Resonanzfrequenz des Resonators und der Antiresonanzfrequenz des Resonators können Tiefpass-, Hochpass-, Bandpass- und Bandsperrfilter synthetisiert werden. Der Resonator kann die Resonanzfrequenz und die Mittenfrequenz des Filters erhöhen und die Außerbandabweisung des Filters verringern. Die Betriebsfrequenz eines SAW-Filters vom Typ Resonator beträgt im Allgemeinen 10MHz ~ 1GHz, mit einer Einfügungsdämpfung von 1 ~ 5dB. Lithium-Tantalat als Zentrum des Verbundmaterials als Resonatorelement Q-Wert ist höher, die Erzeugung von mehreren Oberwellen spielt eine Rolle.

5.2 Oszillatoren

Ein Oszillator ist ein Gerät, das Gleichstromenergie in Wechselstromenergie mit einer bestimmten Frequenz umwandelt, was in der Regel durch eine Oszillatorschaltung erreicht wird. Oszillatoren arbeiten, indem sie Energie zwischen magnetischen und elektrischen Feldern umwandeln und so eine freie Schwingung ermöglichen. Sie werden üblicherweise in RC-Oszillatoren, LC-Oszillatoren und Kristalloszillatoren eingeteilt. Kristalloszillatoren nutzen den piezoelektrischen Effekt, bei dem das Anlegen einer Spannung an die Pole des Kristallwafers den Kristall verformt und so eine Spannung über den Wafer erzeugt. Quarz wird zwar aufgrund seines geringen Temperaturkoeffizienten und seiner guten Temperaturstabilität häufig verwendet, doch der niedrige elektromechanische Kopplungskoeffizient von Quarz begrenzt seine Fähigkeit, hohe Frequenzen und große Bandbreiten in Filtern zu erreichen. Um die Leistung von Oszillatoren zu verbessern, hat sich die Forschung in letzter Zeit auf die Verwendung von Lithiumtantalat-Wafern konzentriert, was zu einer verbesserten Geräteleistung, Miniaturisierung und höheren Frequenzen führt.

5.3 Pyroelektrische Detektoren

Pyroelektrische Detektoren arbeiten durch den Austausch von Wärme mit der Umgebung durch thermische Konvektion, Wärmeleitung und Wärmestrahlung. Das Funktionsprinzip beruht auf der Adsorption von Elektronen an der Oberfläche pyroelektrischer Materialien, was zu einer neutralen Oberfläche führt. Bei Wärmeeinwirkung ändert sich die Oberflächentemperatur, was zu einer Veränderung des elektrischen Dipolmoments des Materials führt. Um die Neutralität der Oberfläche zu erhalten, gibt das Material eine elektrische Ladung ab. Pyroelektrische Sensoren bieten Vorteile wie hohe Detektionsraten, große Betriebsfrequenzen, Kosteneffizienz, einfache Konstruktion und schnelle Reaktionszeiten. Zu den Nachweiseinheiten pyroelektrischer Detektoren gehören Keramiken, Einkristalle und dünne Schichten. Zu den gebräuchlichen Keramiken gehören Kalium-Tantal-Niobat und Blei-Zirkonat-Titanat, während Einkristalle in der Regel aus Lithium-Niobat und Lithium-Tantalat bestehen. Als Dünnschichten werden in der Regel Lithiumtantalat- und Blei-Zirkonat-Titanat-Filme verwendet. Lithiumtantalatkristalle werden in pyroelektrischen Detektoren aufgrund ihres günstigen pyroelektrischen Koeffizienten, Curiepunkts und ihrer Dielektrizitätskonstante bevorzugt.

5.4 Q-Schalter

Die Q-Tuning-Technologie für Laser basiert auf einer speziellen optischen Komponente: einem schnellen optischen Schalter im Hohlraum, der allgemein als Q-Tuning-Schalter oder Q-Switch bezeichnet wird. Der Q-Wert ist ein Indikator für die Qualität des optischen Resonanzraums im Laser. Ziel der Q-Tuning-Technologie für Laser ist es, die Pulsbreite zu komprimieren und die Spitzenleistung zu erhöhen. Gegenwärtig umfasst die häufig verwendete Q-Schaltung die elektrooptische Q-Technologie, die akustooptische Q-Technologie, die sättigbare Absorptionsfarbstoff-Q-Technologie und die sättigbare Absorptions-Q-Technologie mit Cr4 + ∶ YAG. Es werden ständig neue Laser-Q-Technologien entwickelt und angewandt, darunter die aktive Q- und die passive Q-Kombination aus aktiver und passiver Q-Doppel-Q-Technologie, die duale passive Q-Technologie und die Q-Mode-Locked-Technologie.

Gegenwärtig besteht die überwiegende Mehrheit der gepulsten Nanosekundenlaser aus elektrooptischer Q-Technologie, elektrooptischer Q-Technologie, deren Kernmaterial ein elektrooptischer Q-Kristall ist. Zu den häufig verwendeten elektrooptischen Q-Kristallen gehören Kalium-Di-Deuterium-Phosphat-Kristalle, Lithium-Tantalat-Kristalle, Lithium-Niobat-Kristalle und Rubidiumoxid-Titanphosphat-Kristalle. Lithiumtantalatkristalle haben eine stabile Leistung, zerfließen nicht und haben eine hohe Zerstörungsschwelle, weshalb sie häufiger verwendet werden.

5.5 Holografische Speicherung

Im 20. Jahrhundert wurden mit dem raschen Fortschritt der Informationswissenschaft und -technologie die Grenzen von Magnetbändern, Disketten und CD-ROMs bei der Deckung des steigenden Bedarfs an Datenspeicherung deutlich. Infolgedessen wurde die optische Speicherung zu einer vielversprechenden Alternative, wobei die optisch-refraktive holografische Speicherung als Hauptanwärter für die nächste Generation der optischen Speichertechnologie gilt. Holografische Speicher bieten eine wesentlich höhere Kapazität als herkömmliche ein- und zweidimensionale Speicher, wobei die Kapazität proportional zur dritten Potenz des Kehrwerts der Lichtwellenlänge skaliert.

Trotz der erheblichen Vorteile photorefraktiver holografischer dreidimensionaler Speicher, wie kompakte Größe, höhere Speicherkapazität und schnellere Datenübertragungsraten, war der Mangel an idealen photorefraktiven Materialien eine bemerkenswerte Herausforderung. Lithiumniobat (LN)-Kristalle mit photorefraktiven Effekten haben sich zwar als vielversprechend für holografische Speicheranwendungen erwiesen, ihre praktische Umsetzung wird jedoch durch Einschränkungen wie geringe Sättigungsbeugungseffizienz, langsame Reaktionsgeschwindigkeit und Unbeständigkeit behindert. Um diese Probleme zu lösen, wurden LN-Kristalle mit anderen elementaren Materialien wie Fe, Mn und In dotiert, um ihre Leistung und Eignung für praktische Anwendungen zu verbessern.

6 Herstellung von Lithiumniobat und Lithiumtantalat

6.1 Herstellung von Lithiumniobat

6.1.1 Herstellung von Homokomponenten-Lithiumniobat

Das Homokomponenten-Lithiumniobat wird häufig nach dem Tiegelheberverfahren hergestellt. Die Qualität der Lithiumniobatkristalle wird im Allgemeinen durch das Rohstoffverhältnis, die Ziehgeschwindigkeit, die Qualität der Impfkristalle sowie die Form und Art des Tiegels beeinflusst. Die Vorteile des Geradeausziehverfahrens liegen in der einfachen Ausrüstung, der leichten Handhabung und Dotierung.

6.1.2 Herstellung von Lithiumniobat mit engem stöchiometrischem Verhältnis

Die Zwei-Tiegel-Methode, die mit einer kontinuierlichen Beschickungsvorrichtung ausgestattet ist, ist das ausgereifteste und wirtschaftlichste Verfahren zur Züchtung von Lithiumniobatkristallen (nSLN) aus lithiumreichen Schmelzen. Die Doppeltiegel-Methode ist jedoch mit Problemen behaftet, u. a. mit einer komplexen Ausrüstung, Schwierigkeiten bei der Kontrolle des Kristallwachstums und langsamen Wachstumsraten aufgrund der Ungleichheit zwischen Schmelze und Kristallbestandteilen. Diese Faktoren führen zu einer geringen Ausbeute und teuren Kristallen, was ihre breite Anwendung einschränkt.

Eine weitere verbreitete Methode ist die Diffusionsmethode, bei der nSLN-Kristalle durch Lithiumdiffusion in CLN-Kristalle in einer geeigneten lithiumreichen Atmosphäre hergestellt werden, wobei die Diffusionstemperatur und -zeit eine Rolle spielen. Optisch homogene nSLN-Kristalle können bis zu einem praktikablen Grad ohne Einschlüsse oder streuende Partikel erhalten werden, sofern das Diffusionssubstrat eine hohe optische Homogenität aufweist. Die meisten in der Literatur beschriebenen Diffusionsverfahren führen jedoch zu Z-geschnittenen nSLN-Wafern mit geringen Dicken. Dicke oder nicht Z-geschnittene Substrate können zu Rissen oder sogar zum Bruch des Wafers nach der Diffusionsbehandlung führen. In praktischen optischen Anwendungen sind oft größere Abmessungen erforderlich, um die Spezifikationen für die Durchgangsöffnung und den optischen Pfad zu erfüllen. Darüber hinaus steht die Diffusionsmethode vor Herausforderungen im Zusammenhang mit der Korrosion der Wafer, dem Recycling von lithiumreichen Rohstoffen, der Chargenvorbereitung und der Chargenkonsistenz der Kristallkomponenten, was sich auf die Gesamtwirtschaftlichkeit auswirkt.

6.2 Herstellung von Lithiumtantalat

6.2.1 Herstellung von Homokomponenten-Lithiumtantalat

Lithiumtantalatkristalle gleicher Zusammensetzung werden häufig durch Mischen von hochreinem Tantalpentoxid und hochreinem Lithiumcarbonat in einem stöchiometrischen Verhältnis von 0,95:1 (Molverhältnis) und unter Verwendung des Tiegelziehverfahrens hergestellt. Die Qualität der Lithiumtantalatkristalle wird im Allgemeinen durch das Verhältnis der Rohstoffe, die Ziehgeschwindigkeit, die Qualität der Impfkristalle, die Form und Art des Tiegels und andere Faktoren beeinflusst. Lithiumtantalatkristalle werden in Scheiben geschnitten, geschwärzt, geschliffen, abgeschrägt und gereinigt, um Lithiumtantalat-Wafer zu erhalten. Die Vorteile des geraden Ziehens liegen in der einfachen Ausrüstung, der leichten Handhabung und der Dotierung. Die Blistering-Methode, die Die-Guiding-Methode und die Temperaturgradienten-Methode können ebenfalls zur Herstellung von Lithiumtantalatkristallen mit der gleichen Zusammensetzung verwendet werden, werden aber in Anbetracht der Herstellungskosten, der Kristallqualität und der Prozessschwierigkeiten weniger eingesetzt.

6.2.2 Herstellung von Lithiumtantalat mit nahem stöchiometrischem Verhältnis

Die Herstellung von Lithiumtantalatkristallen mit nahezu stöchiometrischem Verhältnis ist schwierig, und zu den derzeitigen Methoden zur Herstellung von Lithiumtantalatkristallen mit nahezu stöchiometrischem Verhältnis gehören vor allem die Doppeltiegelmethode, die Flux-Pulling-Methode, die Zonenschmelzmethode und die Gasphasenaustauschgleichgewichtsmethode.

Doppeltiegel-Methode: Bei der Doppeltiegelmethode wird dem Tiegel während der Kristallherstellung kontinuierlich Schmelze zugeführt, um die Zusammensetzung der Schmelze im Tiegel unverändert zu halten und so Lithiumtantalatkristalle mit nahezu stöchiometrischem Verhältnis herzustellen. Die mit der Zwei-Tiegel-Methode hergestellten nahezu stöchiometrischen Lithiumtantalatkristalle sind homogen, aber der Prozess ist kompliziert und kostspielig, und die Fest-Flüssig-Grenzflächenaufteilung führt zu einer großen Anzahl von Wachstumsfransen in den gewachsenen Kristallen.

Flussmittelziehende Methode: Bei der Flux-Pulling-Methode wird der Kristallschmelze ein Flussmittel zugesetzt, um den Schmelzpunkt des Kristalls einzustellen; das üblicherweise verwendete Flussmittel ist K2O. Diese Methode ist weniger schwierig, aber das Flussmittel kann leicht in den Kristall gelangen, und mit zunehmendem Anteil des Flussmittels ändert sich die Zusammensetzung der Schmelze mit dem Wachstum des Kristalls, und es ist schwierig, die Homogenität der hergestellten Kristalle zu gewährleisten.

Methode des Zonenschmelzens: Bei der Zonenschmelzmethode wird an einem Ende des Halbleiterstabs thermische Energie eingesetzt, um eine Schmelzzone zu erzeugen, die dann zu einem Einkristall-Keimkristall verschmolzen wird, wobei die Temperatur so eingestellt wird, dass sich die Schmelzzone langsam zum anderen Ende des Stabes bewegt, so dass die gesamte Stange zur Herstellung von Kristallen genutzt werden kann. Die mit dieser Methode gezüchteten Kristalle haben eine gleichmäßige Verteilung der Zusammensetzung, sind energiesparend, haben eine hohe Rohstoffausnutzung und eine hohe Kristallqualität.

Gasphasenaustausch-Gleichgewichtsmethode: Der größte Vorteil der Gasphasenaustausch-Gleichgewichtsmethode besteht darin, dass der Li-Gehalt der Kristalle während des Wachstumsprozesses kontrolliert werden kann und beliebige Lithiumtantalat-Proben mit bekanntem Li-Gehalt entsprechend dem tatsächlichen Bedarf erhalten werden können, aber diese Methode nimmt viel Zeit für die Verarbeitung der Kristalle in Anspruch und ist für die Herstellung von großformatigen Plattenproben geeignet, und es ist schwierig, ein großes und einheitliches stöchiometrisches Verhältnis von Einkristallen zu erhalten.

Tabelle 3 Vergleich verschiedener Methoden zur Herstellung von Lithiumtantalat mit engem stöchiometrischem Verhältnis

7 Schlussfolgerung

Sowohl Lithiumniobat als auch Lithiumtantalat haben hervorragende nichtlineare optische und optoelektronische Eigenschaften und können in optischen Geräten wie Filtern, elektrooptischen Geräten, piezoelektrischen und pyroelektrischen Komponenten und holografischen Speichern verwendet werden. Lithiumniobat kann für die holografische Speicherung bevorzugt werden, wenn eine höhere Auflösung und Bildqualität erforderlich sind, während Lithiumtantal in Szenarien bevorzugt wird, in denen die photorefraktiven Effekte minimiert werden müssen. Was die Herstellung betrifft, so ist das Ziehen der Kristalle immer noch die grundlegendste Methode, und verschiedene Arten von LTs werden mit unterschiedlichen Methoden hergestellt, die jeweils ihre Vor- und Nachteile haben, und der Gesamtprozess ist komplexer.

Als exzellente optische, photovoltaische, piezoelektrische und thermoelektrische Materialien sind Lithiumniobat und Lithiumtantalat bei Stanford Advanced Materials erhältlich, und Sie können sich gerne mit den SAM-Spezialisten beraten, wenn Sie spezifischere Szenarien und Fragen zu deren Einsatz in praktischen Anwendungen haben.

Produkt-Seiten:

CY0027 Lithiumtantalat-Scheiben (LiTaO3-Scheiben)

CY0066 Lithium-Niobat-Scheiben (LiNbO3-Scheiben)

Referenzen

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