Obleas de tantalato de litio frente a obleas de niobato de litio: Una comparación exhaustiva para los entusiastas de la tecnolog

1 Introducción

Elniobato de litio (LiNbO3, LN) y el tantalato de litio (LiTaO3, LT) son materiales cristalinos multifuncionales con excelentes prestaciones. En términos de propiedades ópticas, tienen propiedades electroópticas, acustoópticas y ópticas no lineales, y pueden utilizarse como filtros, etc. El niobato de litio también tiene un efecto fotorrefractivo único, que permite utilizarlo en un nuevo campo de almacenamiento holográfico. En el campo eléctrico, además de las propiedades electroópticas, el niobato de litio y el tantalato de litio tienen efectos piezoeléctricos y piroeléctricos, que se utilizan ampliamente como sustratos piezoeléctricos y unidades de detección piroeléctrica.

Este artículo presenta los materiales de niobato de litio y tantalato de litio a partir de la estructura cristalina, incluyendo sus propiedades ópticas, propiedades eléctricas, ámbito de aplicación y proceso de preparación, etc., con el fin de proporcionarle una cierta referencia para la elección de los materiales de aplicación.

Estructuras cristalinas del niobato de litio y el tantalato de litio

El LN pertenece al sistema cristalino tripartito con el grupo de puntos 3m y el grupo espacial R3c y triple eje de simetría rotacional, y se clasifica en dos tipos de niobato de litio casi estequiométrico (SLN) y niobato de litio isotáctico (CLN). El LT también pertenece al sistema cristalino tripartito, y pertenece a la estructura de tipo ilmenita, siendo la red ABO3 de la columna vertebral oxi-octaédrica. La estructura cristalina de LN y LT determina sus propiedades ópticas distintivas, que tienen aplicaciones únicas en óptica no lineal y electrofotónica.

Tabla 1 Información sobre la estructura cristalina

3 Propiedades ópticas del niobato de litio y el tantalato de litio

La estructura cristalina única del niobato de litio y el tantalato de litio les confiere propiedades ópticas distintivas. El LN y el LT son cristales ópticos no lineales caracterizados por elevados coeficientes ópticos no lineales cuadráticos, que son fundamentales en diversos procesos ópticos no lineales, como la duplicación de frecuencias, la mezcla, la suma y la generación de diferencias. Presentan coeficientes electroópticos significativos, indicativos de su capacidad para alterar el índice de refracción bajo campos eléctricos aplicados, lo que los hace ideales para su uso en moduladores electroópticos e interruptores ópticos. Además, tanto la LN como la LT presentan birrefringencia, que se manifiesta como la presencia de dos índices de refracción distintos dentro del cristal, mostrando así selectividad de polarización hacia la luz incidente a lo largo de orientaciones específicas. Su amplia ventana de transparencia, que abarca los rangos espectrales visible e infrarrojo, subraya su importancia en aplicaciones como las comunicaciones ópticas y la tecnología láser.

Los cristales de niobato de litio presentan un efecto fotorrefractivo, por el que el índice de refracción experimenta cambios no homogéneos cuando se someten a una intensa irradiación de luz. Al principio, este fenómeno planteaba problemas, ya que alteraba las condiciones de coincidencia de fase y reducía la eficacia de conversión de frecuencias dobles. Sin embargo, investigaciones posteriores revelaron que este efecto podía aprovecharse para el almacenamiento holográfico, aunque necesitando irradiación o tratamiento a alta temperatura para mitigarlo. En la actualidad, el efecto fotorrefractivo es una herramienta fundamental en el procesamiento óptico de la información, con aplicaciones en el almacenamiento óptico, las pantallas holográficas, la modulación espacial, la diferenciación temporal totalmente óptica y el procesamiento de imágenes. Sin embargo, los dispositivos que utilizan estos cristales pueden experimentar una dispersión significativa inducida por la luz, lo que se conoce como ruido de "abanico", a altas intensidades de luz. Además, el tiempo de respuesta prolongado del cristal puede distorsionar la reproducción de la información, lo que dificulta el cumplimiento de la demanda de aplicaciones de alta calidad, respuesta rápida y larga retención.

Los cristales de tantalato de litio tienen muchas propiedades similares a las de los cristales de niobato de litio, como la misma estructura cristalina, ferroelectricidad a temperatura ambiente y composición no estequiométrica. Especialmente en el almacenamiento holográfico, los cristales de LT se han convertido en uno de los materiales fotorrefractivos más populares para el almacenamiento holográfico porque tienen ventajas de almacenamiento similares a las de los cristales de LN: almacenamiento masivo, estabilidad a largo plazo y borrado repetido. Aunque el tantalato de litio y el niobato de litio son del mismo tipo, existen algunas diferencias entre estos dos cristales, como que el cristal LT destaca más en resistencia fotorrefractiva que el cristal LN, que es más de dos órdenes de magnitud superior a éste.

Tabla 2 Propiedades del LN y el LT

4 Propiedades eléctricas del niobato de litio y el tantalato de litio

Ferroelectricidad y efecto piezoeléctrico

Tanto el niobato de litio (LN) como el tantalato de litio (LT) pertenecen a la clase de los cristales ferroeléctricos, que se distinguen por sus propiedades eléctricas únicas. Los cristales ferroeléctricos poseen ferroelectricidad, es decir, pueden polarizarse en respuesta a un campo eléctrico aplicado y conservar esta polarización incluso después de la despolarización hasta que se someten a un campo eléctrico opuesto. Esta característica se debe a su estructura cristalina no centrosimétrica. Los cristales ferroeléctricos tienen importantes aplicaciones en electrónica y óptica, sobre todo en el desarrollo de condensadores, sensores y dispositivos de memoria.

El efecto piezoeléctrico se refiere al dieléctrico en una dirección determinada por la acción de fuerzas externas y la deformación, su fenómeno de polarización interna, al mismo tiempo en el medio de las dos superficies opuestas de la carga positiva y negativa. Cuando se elimina la fuerza externa, se restaurará al estado sin carga, este fenómeno se denomina efecto piezoeléctrico positivo. Cuando se cambia la dirección de la fuerza, también cambia la polaridad de la carga. Los cristales con efecto piezoeléctrico se denominan cristales piezoeléctricos. La celda de un cristal piezoeléctrico es asimétrica, pero aún puede existir en equilibrio eléctricamente neutro. Cuando se aplica presión a la superficie del cristal, la estructura cristalina se deforma y los átomos se empujan unos contra otros, generando así una corriente eléctrica y completando la transformación de fuerza mecánica en electricidad; cuando se aplica una corriente eléctrica al cristal piezoeléctrico, el cristal se expande y se contrae y puede realizarse la transformación de corriente eléctrica en energía mecánica.

LN y LT: materiales piezoeléctricos superiores

Los cristales de niobato de litio y los cristales de tantalato de litio son materiales piezoeléctricos típicos con excelentes propiedades piezoeléctricas, en comparación con el cuarzo cristal piezoeléctrico comúnmente utilizado, los cristales de niobato de litio y los cristales de tantalato de litio tienen un excelente efecto piezoeléctrico y un efecto de acoplamiento electromecánico, pueden prepararse para dispositivos de alta frecuencia, por lo que los cristales de niobato de litio pueden utilizarse para resonadores, transductores, líneas de retardo, filtros, etc, Se utiliza en comunicaciones móviles, comunicaciones por satélite, procesamiento digital de señales, televisores, Se utiliza en comunicaciones móviles, comunicaciones por satélite, procesamiento digital de señales, televisión, radiodifusión, radar, telemetría por teledetección y otros campos civiles, así como en contramedidas electrónicas, espoletas, guiado y otros campos militares, de los cuales el más utilizado es el filtro de ondas acústicas superficiales (SAWF), que se utiliza ampliamente en el campo de los filtros SAW, transductores piezoeléctricos y otros campos.

El fenómeno de cambio en la intensidad de la polarización espontánea de un cristal polar debido a un cambio en la temperatura externa se denomina efecto piroeléctrico. Los cristales con esta propiedad se denominan piroelectricidad de los cristales. Una característica fundamental de los cristales ferroeléctricos es que tienen un efecto piroeléctrico, que puede producirse sin la adición de un campo eléctrico adicional. Los cristales ferroeléctricos, tras descender por debajo de su temperatura de Curie, experimentan espontáneamente un cierto grado de transición de fase debido a la falta de modos vibracionales en la red del cristal, lo que da lugar a una asimetría en determinadas direcciones. Si el piroeléctrico se calienta (dT/dt>0), momento en el que los dipolos del material pierden su orientación debido a las vibraciones térmicas, su nivel de polarización espontánea disminuirá. Si el material se encuentra en estado de circuito abierto, la carga libre permanece en la superficie del electrodo y genera un potencial en el material. Si el material se encuentra en estado de cortocircuito, se genera una corriente entre las dos superficies polarizadas del material. Del mismo modo, si el piroeléctrico se enfría (dT/dt < 0), el dipolo recupera su orientación, lo que conduce a un aumento del nivel de polarización espontánea, por lo que la carga libre es atraída hacia las superficies polares, invirtiéndose así el flujo de corriente en condiciones de cortocircuito.

5 Aplicaciones del niobato y el tantalato de litio

5.1 Filtros SAW

Filtros en dispositivos SAW: Los filtros se han estudiado más en dispositivos SAW. Los filtros tienen las ventajas de una baja pérdida de transmisión, alta fiabilidad, alta flexibilidad de fabricación, compatibilidad analógica/digital, excelente selectividad de frecuencia y la capacidad de implementar una amplia gama de funciones complejas. Los materiales utilizados para fabricar filtros suelen requerir una buena planitud de superficie, altos coeficientes de acoplamiento electromecánico, bajas pérdidas de propagación, coeficientes de baja temperatura, buena repetibilidad, alta fiabilidad, producción en serie y bajo coste.

Los coeficientes de acoplamiento electromecánico del tantalato de litio y el niobato de litio son superiores a los del cuarzo, y los cristales de tantalato de litio pueden realizar un ancho de banda relativo del 6% al 7%, mientras que el niobato de litio puede realizar un ancho de banda relativo del 10% al 12%, pero los coeficientes de temperatura del tantalato de litio y el niobato de litio son superiores, y los cristales de tantalato de litio con corte en X tienen una tangente de temperatura cero, de modo que el punto del coeficiente de temperatura cero puede controlarse mediante el control preciso de la precisión de la tangente El punto del coeficiente de temperatura cero puede controlarse en el rango de temperatura ambiente mediante el control preciso de la precisión del corte, de modo que puede utilizarse para fabricar filtros de alta frecuencia y gran ancho de banda.

El resonador de los filtros: El resonador es la unidad básica de un filtro, y su rendimiento tiene un gran impacto en el rendimiento del filtro. Con la creciente demanda de filtros de mayor rendimiento en los terminales de comunicación, los filtros SAW de tipo resonador se utilizan ampliamente para resolver los problemas de pequeño tamaño, bajo consumo de energía y baja pérdida de inserción. El elemento de circuito básico de un filtro SAW de tipo resonador es el resonador. El SAW excitado por el transductor de dedo en horquilla se refleja hacia adelante y hacia atrás entre las dos rejillas de reflexión para formar una resonancia, y ajustando la frecuencia de resonancia del resonador y la frecuencia de antirresonancia del resonador, se pueden sintetizar filtros de paso bajo, paso alto, paso banda y rechazo de banda. El resonador puede aumentar la frecuencia de resonancia y la frecuencia central del filtro, y reducir el rechazo fuera de banda del filtro, la frecuencia de funcionamiento del filtro SAW tipo resonador es generalmente 10MHz ~ 1GHz, con la pérdida de inserción de 1 ~ 5dB. tantalato de litio como el centro del material compuesto como un elemento resonador valor Q es mayor, la generación de múltiples armónicos juega un papel.

5.2 Osciladores

Un oscilador es un dispositivo que convierte energía de corriente continua en energía de corriente alterna a una frecuencia específica, lo que normalmente se consigue mediante un circuito oscilador. Los osciladores funcionan mediante la conversión de energía entre campos magnéticos y eléctricos, lo que permite la oscilación libre. Se suelen clasificar en osciladores RC, osciladores LC y osciladores de cristal. Los osciladores de cristal utilizan el efecto piezoeléctrico, en el que la aplicación de tensión a los polos de la oblea de cristal deforma el cristal, generando una tensión a través de la oblea. Aunque el cuarzo se emplea a menudo por su pequeño coeficiente de temperatura y su buena estabilidad térmica, su bajo coeficiente de acoplamiento electromecánico limita su capacidad para alcanzar altas frecuencias y anchos de banda amplios en filtros. En un esfuerzo por mejorar el rendimiento de los osciladores, las investigaciones recientes se han centrado en el uso de obleas de tantalato de litio, lo que ha permitido mejorar el rendimiento de los dispositivos, miniaturizarlos y aumentar sus frecuencias.

5.3 Detectores piroeléctricos

Los detectores piroeléctricos funcionan intercambiando calor con el entorno mediante convección térmica, conducción térmica y radiación térmica. El principio de funcionamiento implica la adsorción de electrones en la superficie de los materiales piroeléctricos, lo que da lugar a una superficie neutra. Cuando se somete a calor, la temperatura de la superficie cambia, provocando una variación del momento dipolar eléctrico del material. Para mantener la neutralidad de la superficie, el material libera una carga eléctrica. Los sensores piroeléctricos ofrecen ventajas como altos índices de detección, amplias frecuencias de funcionamiento, rentabilidad, construcción sencilla y tiempos de respuesta rápidos. Las unidades de detección de los detectores piroeléctricos incluyen cerámicas, monocristales y películas finas. Las cerámicas más comunes son el niobato de tantalio potásico y el titanato de circonato de plomo, mientras que los monocristales suelen ser de niobato de litio y tantalato de litio. Las películas finas más utilizadas son las de tantalato de litio y titanato de circonato de plomo. Los cristales de tantalato de litio son los preferidos en los detectores piroeléctricos debido a su coeficiente piroeléctrico, punto de Curie y constante dieléctrica favorables.

5.4 Conmutadores Q

La tecnología de ajuste Q del láser se basa en un componente óptico especial: un conmutador óptico rápido intracavitario, denominado generalmente conmutador de ajuste Q o conmutador Q. El valor Q es un indicador de la calidad de la cavidad de resonancia óptica del láser. Cuanto mayor sea el valor Q, menor será el umbral de bombeo necesario y más fácil será la oscilación del láser. El objetivo de la tecnología de ajuste Q del láser es comprimir la anchura del pulso y aumentar la potencia de pico. En la actualidad, el conmutador Q comúnmente utilizado incluye la tecnología Q electro-óptica, la tecnología Q acusto-óptica, el colorante de absorción saturable Q y la absorción saturable Q de Cr4 + ∶ YAG. Constantemente se está desarrollando y aplicando una nueva tecnología Q láser, que incluye la combinación Q activa y Q pasiva de la tecnología Q doble activa y pasiva, la tecnología Q pasiva dual, la tecnología Q mode-locked.

En la actualidad, la gran mayoría de los láseres pulsados de nanosegundos están fabricados con tecnología Q electroóptica, la tecnología Q electroóptica, el material central es el cristal Q electroóptico, los cristales Q electroópticos comúnmente utilizados incluyen cristales de fosfato de di-deuterio de potasio, cristales de tantalato de litio, cristales de niobato de litio y cristales de fosfato de óxido de rubidio y titanio. Los cristales de tantalato de litio tienen un rendimiento estable, no sufren delicuescencia y tienen un umbral de daño elevado, por lo que se utilizan con más frecuencia.

5.5 Almacenamiento holográfico

En el siglo XX, con el rápido avance de la ciencia y la tecnología de la información, se hicieron evidentes las limitaciones de las cintas magnéticas, los discos y los CD-ROM para satisfacer la creciente demanda de almacenamiento de datos. En consecuencia, el almacenamiento óptico surgió como una alternativa prometedora, con el almacenamiento holográfico de refracción óptica reconocido como un contendiente clave para la próxima generación de tecnología de almacenamiento óptico. El almacenamiento holográfico ofrece una capacidad mucho mayor que las memorias unidimensionales y bidimensionales tradicionales, con una escala de capacidad proporcional a la tercera potencia del recíproco de la longitud de onda de la luz.

A pesar de las importantes ventajas de la memoria tridimensional fotorrefractiva holográfica, como el tamaño compacto, la mayor capacidad de almacenamiento y la mayor velocidad de transferencia de datos, la falta de materiales fotorrefractivos ideales ha sido un reto notable. Aunque los cristales de niobato de litio (LN) con efectos fotorrefractivos han demostrado ser prometedores para aplicaciones de almacenamiento holográfico, su aplicación práctica se ve obstaculizada por limitaciones como la baja eficiencia de difracción de saturación, las velocidades de respuesta lentas y la volatilidad. Para hacer frente a estos problemas, se han dopado cristales de LN con otros materiales elementales, como Fe, Mn e In, con el fin de mejorar su rendimiento y viabilidad para aplicaciones prácticas.

6 Preparación del niobato de litio y el tantalato de litio

6.1 Preparación del niobato de litio

6.1.1 Preparación del niobato de litio homocomponente

El niobato de litio homocomponente suele prepararse por el método de elevación en crisol. La calidad de los cristales de tantalato de litio suele verse afectada por la proporción de materia prima, la velocidad de extracción, la calidad del cristal semilla, la forma y el tipo de crisol. Las ventajas del método de estirado rectilíneo son la sencillez del equipo, la facilidad de operación y de dopaje.

6.1.2 Preparación de niobato de litio con una relación estequiométrica estrecha

El método de dos crisoles, equipado con un dispositivo de carga continua, es el enfoque más maduro y comercialmente viable para el crecimiento de cristales de niobato de litio (nSLN) a partir de fundidos ricos en litio. Sin embargo, el método de doble crisol está plagado de retos, como la complejidad del equipo, la dificultad para controlar el crecimiento de los cristales y la lentitud de las tasas de crecimiento debido a la disparidad entre los componentes de la masa fundida y los cristales. Estos factores dan lugar a rendimientos bajos y cristales caros, lo que limita su aplicación generalizada.

Otro método frecuente es el de difusión, en el que los cristales de nSLN se producen por difusión de litio en cristales de CLN dentro de una atmósfera adecuada rica en litio, en la que influyen la temperatura y el tiempo de difusión. Se pueden obtener cristales de nSLN ópticamente homogéneos sin inclusiones ni partículas dispersantes, hasta niveles prácticos, siempre que el sustrato de difusión presente una elevada homogeneidad óptica. No obstante, la mayoría de los métodos de difusión descritos en la bibliografía producen obleas de nSLN cortadas en Z con espesores pequeños. Los sustratos gruesos o no cortados en Z pueden provocar grietas o incluso la rotura de la oblea tras el tratamiento de difusión. En las aplicaciones ópticas prácticas, a menudo se requieren dimensiones mayores para cumplir las especificaciones de diseño de la apertura pasante y el camino óptico. Además, el método de difusión se enfrenta a retos relacionados con la corrosión de las obleas, el reciclado de materias primas ricas en litio, la preparación de lotes y la consistencia de los lotes de componentes de cristal, lo que afecta a la rentabilidad global.

6.2 Preparación del tantalato de litio

6.2.1 Preparación del tantalato de litio homocomponente

Los cristales de tantalato de litio de la misma composición suelen prepararse mezclando pentóxido de tantalio de gran pureza y carbonato de litio de gran pureza en una relación estequiométrica de 0,95:1 (relación molar) y utilizando el método de extracción en crisol. La calidad de los cristales de tantalato de litio suele verse afectada por la proporción de materias primas, la velocidad de extracción, la calidad de los cristales iniciales, la forma y el tipo de crisol y otros factores. Los cristales de tantalato de litio se cortan, ennegrecen, esmerilan, biselan y limpian para obtener obleas de tantalato de litio. Las ventajas del método de estirado recto son la sencillez del equipo, la facilidad de operación y el dopado. El método de ampollado, el método de guiado por matriz y el método de gradiente de temperatura también pueden lograr la preparación de cristales de tantalato de litio con la misma composición, pero son menos utilizados teniendo en cuenta el coste de preparación, la calidad de los cristales y la dificultad del proceso.

6.2.2 Preparación de tantalato de litio con relación estequiométrica cercana

Es difícil preparar cristales de tantalato de litio con una relación estequiométrica cercana, y los métodos actuales de preparación de cristales de tantalato de litio con una relación estequiométrica cercana incluyen principalmente el método de doble crisol, el método de arrastre de flujo, el método de fusión por zonas y el método de equilibrio de intercambio de fase gaseosa.

Método del doble crisol: El método de doble crisol consiste en añadir continuamente masa fundida al crisol durante el proceso de preparación de los cristales para mantener inalterada la composición de la masa fundida en el crisol, con el fin de preparar cristales de tantalato de litio con una relación casi estequiométrica. Los cristales de tantalato de litio casi estequiométricos preparados por el método de los dos crisoles son homogéneos, pero el proceso es complicado y costoso, y la partición interfacial sólido-líquido da lugar a un gran número de franjas de crecimiento en los cristales crecidos.

Método de arrastre de fundente: El método de arrastre de fundente consiste en añadir fundente en el cristal fundido para ajustar el punto de fusión del cristal, y el fundente comúnmente utilizado es el K2O. Este método es menos difícil, pero el fundente es fácil de introducir en el cristal, y a medida que aumenta la proporción del fundente, la composición de la masa fundida cambia con el crecimiento del cristal, y es difícil asegurar la homogeneidad de los cristales preparados.

Método de fusión por zonas: El método de fusión por zonas es el uso de energía térmica en un extremo de la barra de semiconductores para producir una zona de fusión, y luego se fusiona a un solo cristal semilla, ajustar la temperatura para que la zona de fusión se mueva lentamente hacia el otro extremo de la barra, a través de toda la barra para completar la preparación de cristales. Los cristales cultivados por este método tienen una distribución de composición uniforme, ahorro de energía, alta utilización de materia prima y alta calidad de cristal.

Método de equilibrio de intercambio de fase gaseosa: La mayor ventaja del método de equilibrio de intercambio de fase gaseosa es que el contenido de Li de los cristales se puede controlar durante el proceso de crecimiento, y se puede obtener cualquier muestra de tantalato de litio con contenido de Li conocido según la demanda real, pero este método tarda mucho tiempo en procesar los cristales y es adecuado para la preparación de muestras de láminas de gran tamaño, y es difícil obtener una relación estequiométrica grande y uniforme de cristales individuales.

Tabla 3 Comparación de diferentes métodos de preparación de tantalato de litio con relación estequiométrica cercana

7 Conclusión

Tanto el niobato de litio como el tantalato de litio tienen excelentes propiedades ópticas y optoelectrónicas no lineales y pueden utilizarse en dispositivos ópticos como filtros, dispositivos electroópticos, componentes piezoeléctricos y piroeléctricos y almacenamiento holográfico. El niobato de litio puede ser preferible para el almacenamiento holográfico, donde se requiere una mayor resolución y calidad de imagen, mientras que el tántalo de litio es preferible en escenarios donde es necesario minimizar los efectos fotorrefractivos. En cuanto a la preparación, el método de estirado del crecimiento cristalino sigue siendo el método de preparación más básico, y los distintos tipos de LT se preparan con métodos diferentes, cada uno con sus ventajas e inconvenientes, y el proceso global es más complejo.

Como excelentes materiales ópticos, fotovoltaicos, piezoeléctricos y termoeléctricos, el niobato de litio y el tantalato de litio están disponibles en Stanford Advanced Materials, y le invitamos a consultar con los especialistas de SAM si tiene escenarios más específicos y preguntas sobre su uso en aplicaciones prácticas.

Páginas de productos:

CY0027 Obleas de tantalato de litio (Obleas LiTaO3)

CY0066 Obleas de niobato de litio (LiNbO3 Wafers)

Referencias

[1] Xiao, X., Xu, Q., Liang, S. et al. Preparation, electrical, thermal, and mechanical properties of near-stoichiometric lithium tantalate wafers. J Mater Sci: Mater Electron 33, 20668-20677 (2022). https://doi.org/10.1007/s10854-022-08878-3

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[3] RUBY R, GILBERT S, LEE S K, et al. Novedoso diseño SAW de silicio, compuesto por temperatura, para la integración de filtros [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2021, 31(6): 674-677.