中國粉體網(wǎng)訊 2020年，國家最高領(lǐng)導(dǎo)人到山西太原視察山西轉(zhuǎn)型綜合改革示范區(qū)，據(jù)當(dāng)?shù)匾晃回?fù)責(zé)人介紹說：“在看到碳化硅、鈮酸鋰晶體等新材料時(shí)，總書記非常感興趣，認(rèn)為這些是解決‘卡脖子’的產(chǎn)品�！薄翱倳浀闹R儲(chǔ)備量非常豐富�！边@位負(fù)責(zé)人印象深刻：“那些繞口的新材料制品名字，總書記也能說上來�！�
（圖片來源：新華社）
的確，相比碳化硅這種目前備受關(guān)注的新材料，鈮酸鋰不僅名字有些繞口，而且即使是從事新材料研發(fā)和生產(chǎn)的朋友聽過這種材料的也不多。那么，鈮酸鋰有什么用途？它又是如何制備出來的呢？我們一起來初步了解一下。
性能與應(yīng)用進(jìn)展
自從1965年鈮酸鋰（LN）單晶成功地生長出以來，人們對LiNbO3性能的研究和應(yīng)用就產(chǎn)生了濃厚的興趣。鈮酸鋰晶體是無色或帶淡黃色的透明晶體，LN的居里溫度Tc高達(dá)1210℃，是目前已知的居里溫度最高的壓電鐵電材料，因此也被稱為高溫鐵電體，在高溫壓電器件應(yīng)用方面有著廣闊的應(yīng)用前景。
鈮酸鋰晶體（圖片來源：南開大學(xué)）
從結(jié)構(gòu)看，它是一種多疇單晶，它必須通過極化處理后才能成為單疇單晶，從而呈現(xiàn)出類似單晶體的特點(diǎn)，即機(jī)械性能各向異性。它的時(shí)間穩(wěn)定性好、居里溫度高，在高溫、強(qiáng)幅射條件下，仍具有良好的壓電性，且機(jī)械性能，如機(jī)電耦合系數(shù)、介電常數(shù)、頻率常數(shù)等均保持不變。
此外，它還具有良好的光電、聲光效應(yīng)，因此在光電、微聲和激光等器件方面都有重要應(yīng)用。不足之處是質(zhì)地脆、抗機(jī)械和熱沖擊性差。純LN陶瓷很難制備，這主要是在燒結(jié)過程中由于Li具有一定的流動(dòng)性，如在大氣氛圍中常壓燒結(jié)，很難得到致密的陶瓷體，從而對陶瓷的結(jié)晶性及電學(xué)性能產(chǎn)生較大的影響。鈮酸鋰由于壓電、光電性能好、機(jī)械品質(zhì)因素高等優(yōu)點(diǎn)，在電光和聲光裝置中有廣泛的應(yīng)用前景。
光通信應(yīng)用
鈮酸鋰晶體的光電效應(yīng)非常豐富，其中電光效應(yīng)、非線性光學(xué)效應(yīng)性能突出，應(yīng)用也最為廣泛，而且鈮酸鋰晶體可以通過質(zhì)子交換或鈦擴(kuò)散制備高品質(zhì)的光波導(dǎo)，又能夠通過極化翻轉(zhuǎn)制備周期性極化晶體，所以在電光調(diào)制器、集成光開關(guān)、電光調(diào)Ｑ開關(guān)等眾多器件中得到廣泛應(yīng)用。
光學(xué)應(yīng)用的鈮酸鋰晶體中傳播的是光波，波長從數(shù)百納米到幾微米，不僅需要晶體具有優(yōu)異的光學(xué)均勻性，還需要對尺度可以和光波波長相比擬的晶體缺陷進(jìn)行嚴(yán)格控制。此外，作為光學(xué)應(yīng)用通常需要控制光波在晶體中傳播時(shí)的相位、偏振等參量，這些參量與晶體的折射率大小和折射率分布直接相關(guān)，因此還需盡可能消除晶體的內(nèi)部應(yīng)力和外部應(yīng)力，避免光彈效應(yīng)導(dǎo)致的應(yīng)力雙折射，滿足光學(xué)應(yīng)用需求的鈮酸鋰晶體通常被稱為“光學(xué)級鈮酸鋰晶體”。
鈮酸鋰單晶薄膜（圖片來源：濟(jì)南晶正）
光調(diào)制器是高速光通信網(wǎng)絡(luò)的關(guān)鍵器件，未來對鈮酸鋰電光調(diào)制器的要求包括更高調(diào)制速率以及小型化、集成化，基于鈮酸鋰單晶薄膜的調(diào)制器對于器件的小型化和集成化起到了重要作用。光通信技術(shù)是第五代移動(dòng)通訊網(wǎng)絡(luò)（5G）建設(shè)的重要一環(huán)，鈮酸鋰電光調(diào)制器作為其中的核心器件，也會(huì)迎來更大的發(fā)展。
鈮酸鋰電光調(diào)制器（圖片來源：安特）
鈮酸鋰粉體的制備
就目前研究情況看，合成鈮酸鋰粉體的主要方法有：溶膠一凝膠法(Sol-Gel法)、水(溶劑)熱、燃燒法(自蔓延燃燒)、鹽熔法、模板法、前驅(qū)體法。
溶膠一凝膠法
其基本原理是：將金屬醇鹽或無機(jī)鹽經(jīng)過水解形成溶膠，或經(jīng)過解凝形成溶膠，然后使溶質(zhì)聚合凝膠化，再將凝膠干燥、焙燒，去除有機(jī)成分，最后得到無機(jī)材料。
鈮酸鋰粉體的溶膠一凝膠合成工藝
水(溶劑)熱合成
水(溶劑)熱法是指在特制的密閉反應(yīng)器中采用水溶液(或其它非水溶劑)作為反應(yīng)體系，通過對反應(yīng)體系加熱、加壓(或自生蒸氣壓)創(chuàng)造一個(gè)相對高溫、高壓的反應(yīng)環(huán)境，使得通常難溶或不溶的物質(zhì)溶解并且重結(jié)晶而進(jìn)行無機(jī)合成與材料處理的一種有效方法。
鈮酸鋰粉體的水熱合成工藝
自蔓延燃燒法
自蔓延高溫合成(SHS)法，也稱燃燒合成法，是近20多年來發(fā)展起來的制取材料尤其是高溫、難熔和耐磨材料的新方法，屬高新技術(shù)領(lǐng)域。其最大特點(diǎn)是利用反應(yīng)物內(nèi)部的化學(xué)能來合成材料。一經(jīng)點(diǎn)燃，燃燒反應(yīng)即可自我維持，一般不再需要補(bǔ)充能量。整個(gè)工藝過程極為簡單，能耗低，生產(chǎn)率高，且產(chǎn)品純度很高。
燃燒法合成鈮酸鋰是將氧化鈮、碳酸鋰和尿素的粉末混合后，在坩堝中充分研磨混合，再將混合后的粉末加熱到500℃左右。在此期間，尿素發(fā)生分解反應(yīng)，該反應(yīng)為放熱反應(yīng)。所以系統(tǒng)外的加熱溫度雖然很低，但反應(yīng)物的溫度卻可以使氧化鈮和碳酸鋰發(fā)生反應(yīng)，生成鈮酸鋰粉體。
鹽熔法
該方法是一種簡單的固相反應(yīng)，利用金屬鹽的低熔點(diǎn)特性，為反應(yīng)提供一個(gè)充分接觸的環(huán)境，工藝過程為硝酸鋰和五氧化二鈮以5:1研磨混合，置于反應(yīng)容器內(nèi)，于400-500℃燒結(jié)2-8h，氮?dú)鈼l件下冷卻至室溫，過濾沖洗，120℃干燥，即生成鈮酸鋰粉體。
機(jī)械球磨法
有文獻(xiàn)曾報(bào)道用該方法合成鈮酸鋰粉體：將Li2CO3和Nb2O5等摩爾比混合，球磨罐轉(zhuǎn)速為300r/min，為防止球磨溫度過熱，球磨半小時(shí)間歇15分鐘，球磨時(shí)間為32-42小時(shí)，得到晶態(tài)和玻璃態(tài)鈮酸鋰混合物。
前驅(qū)體法
該方法的原理主要是合成目標(biāo)產(chǎn)物的前驅(qū)體粉末，然后進(jìn)行熱處理，得到目標(biāo)產(chǎn)物。該方法的主要優(yōu)點(diǎn)是熱處理的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于普通固相反應(yīng)溫度。
鈮酸鋰粉體的前驅(qū)體法合成工藝
鈮酸鋰晶體主要生長方法
提拉法
提拉法是一種成熟的熔體生長鈮酸鋰晶體方法，也稱為直拉法。1965年，Ballman利用提拉法成功生長出了鈮酸鋰(LN)晶體，它優(yōu)異的光折變性，在聲光器件、光波導(dǎo)、傳感器、全息存儲(chǔ)以及3D全息顯示都有著巨大的開發(fā)潛力。目前提拉法可生長鈮酸鋰晶體、鉭酸鋰晶體、硅單晶、激光晶體、氧化物晶體等。
坩堝下降法
坩堝下降法作為晶體生長最為廣泛的技術(shù)之一，已應(yīng)用于各種類型晶體的生長，例如鐵電晶體、壓電晶體、熱電晶體等。其中，2003年，Chen等利用坩堝下降法生長純的LN晶體。2010年，Li等利用下降法生長了摻鎂鈮酸鋰晶體。但是目前生長高均勻性的摻鎂鈮酸鋰比較困難。
坩堝下降法的生長原理示意圖
小結(jié)
有評論認(rèn)為，鈮酸鋰晶體對于光子學(xué)而言，就像硅材料對于電子學(xué)一樣重要，現(xiàn)在正在進(jìn)入“鈮酸鋰谷”時(shí)代，鈮酸鋰晶體集多種光電性能于一體且能夠達(dá)到實(shí)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(xué)芯片理論、制備及應(yīng)用等核心技術(shù)的發(fā)展與完善，鈮酸鋰晶體能成為光子時(shí)代的“光學(xué)硅”材料，為集成光子學(xué)的發(fā)展提供戰(zhàn)略性基礎(chǔ)支撐。
LN集成光路技術(shù)的最新進(jìn)展，也已展示了其優(yōu)越的器件性能，獲得了科研和產(chǎn)業(yè)界的廣泛關(guān)注。所幸的是，我國正在形成一條從LN單晶薄膜到集成光路技術(shù)的產(chǎn)業(yè)鏈，在如今復(fù)雜的國際形勢下，完善產(chǎn)業(yè)鏈，形成自主可控的關(guān)鍵技術(shù)顯得尤為重要。因此，當(dāng)前需發(fā)展大尺寸(8~12英寸(200~300 mm))LN晶體，促使LN與半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)接軌，突破大尺寸單晶薄膜制備工藝，為LN集成光路技術(shù)的發(fā)展奠定材料基礎(chǔ)。
參考來源：
鈮酸鋰晶體及其應(yīng)用概述，孫軍等，南開大學(xué)物理科學(xué)學(xué)院
信息時(shí)代的鈮酸鋰晶體：進(jìn)展與展望，劉宏等，山東大學(xué)晶體材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室
鈮酸鋰粉體的制備和研究進(jìn)展，寧海霞等，西南科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院
鈮酸鋰粉體的濕化學(xué)法制備工藝，羅超，大連理工大學(xué)
鈮酸鋰晶體極化工藝及坩堝下降法生長研究，閆曉東，上海應(yīng)用技術(shù)大學(xué)
（中國粉體網(wǎng)編輯整理/平安）
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