Wafers de tantalato de lítio vs. de niobato de lítio: Uma comparação abrangente para entusiastas de tecnologia

1 Introdução

O niobato de lítio (LiNbO3, LN) e o tantalato de lítio (LiTaO3, LT) são materiais cristalinos multifuncionais com excelente desempenho. Em termos de propriedades ópticas, eles têm propriedades eletro-ópticas, acústico-ópticas e ópticas não lineares, e podem ser usados como filtros, etc. O niobato de lítio também tem um efeito fotorrefrativo exclusivo, que permite que ele seja usado em um novo campo de armazenamento holográfico. No campo elétrico, além das propriedades eletro-ópticas, o niobato de lítio e o tantalato de lítio têm efeitos piezoelétricos e piroelétricos, que são amplamente usados como substratos piezoelétricos e unidades de detecção piroelétrica.

Este artigo apresenta os materiais de niobato de lítio e tantalato de lítio a partir da estrutura cristalina, envolvendo suas propriedades ópticas, propriedades elétricas, escopo de aplicação e processo de preparação, etc., para fornecer a você uma referência segura para a escolha dos materiais de aplicação.

Estruturas cristalinas do niobato de lítio e do tantalato de lítio

O LN pertence ao sistema cristalino tripartido com o grupo de pontos 3m e o grupo espacial R3c e o eixo de simetria rotacional triplo, e é classificado em dois tipos de niobato de lítio quase estequiométrico (SLN) e niobato isotático de lítio (CLN). O LT também pertence ao sistema cristalino tripartido e pertence à estrutura do tipo ilmenita, com a estrutura ABO3 do backbone oxi-octaédrico. A estrutura cristalina do LN e do LT determina suas propriedades ópticas distintas, que têm aplicações exclusivas em óptica não linear e eletrofotônica.

Tabela 1 Informações sobre a estrutura cristalina

3 Propriedades ópticas do niobato de lítio e do tantalato de lítio

A estrutura cristalina exclusiva do niobato de lítio e do tantalato de lítio confere a eles propriedades ópticas distintas. O LN e o LT são cristais ópticos não lineares caracterizados por altos coeficientes ópticos não lineares quadráticos, que são essenciais em vários processos ópticos não lineares, incluindo duplicação de frequência, mistura, soma e geração de diferença. Eles apresentam coeficientes eletro-ópticos significativos, indicando sua capacidade de alterar o índice de refração sob campos elétricos aplicados, o que os torna ideais para uso em moduladores eletro-ópticos e interruptores ópticos. Além disso, tanto o LN quanto o LT apresentam birrefringência, manifestando-se como a presença de dois índices de refração distintos dentro do cristal, exibindo, assim, seletividade de polarização em relação à luz incidente ao longo de orientações específicas. Sua ampla janela de transparência, que abrange as faixas espectrais visível e infravermelha, ressalta sua importância em aplicações como comunicações ópticas e tecnologia a laser.

Os cristais de niobato de lítio exibem um efeito fotorrefrativo, pelo qual o índice de refração sofre alterações não homogêneas quando submetido à intensa irradiação de luz. Inicialmente, esse fenômeno representou desafios ao interromper as condições de correspondência de fase e reduzir a eficiência da conversão de duplicação de frequência. No entanto, pesquisas posteriores revelaram que esse efeito poderia ser aproveitado para o armazenamento holográfico, embora necessitasse de irradiação ou tratamento de alta temperatura para atenuação. Atualmente, o efeito fotorrefrativo serve como uma ferramenta fundamental no processamento de informações ópticas, encontrando aplicações em armazenamento óptico, telas holográficas, modulação espacial, diferenciação de tempo totalmente óptica e processamento de imagens. No entanto, os dispositivos que utilizam esses cristais podem apresentar uma dispersão significativa induzida pela luz, conhecida como ruído de "ventilador", em altas intensidades de luz. Além disso, o tempo de resposta prolongado do cristal pode distorcer a reprodução de informações, o que representa um desafio para atender às demandas de aplicativos de alta qualidade, resposta rápida e longa retenção.

Os cristais de tantalato de lítio têm muitas propriedades semelhantes às dos cristais de niobato de lítio, como a mesma estrutura cristalina, ferroelétricos em temperatura ambiente e composição não estequiométrica. Especialmente no armazenamento holográfico, os cristais de LT se tornaram um dos materiais fotorrefrativos mais populares para armazenamento holográfico porque têm vantagens de armazenamento semelhantes às dos cristais de LN: armazenamento maciço, estabilidade de longo prazo e apagamento repetido. Embora o tantalato de lítio e o niobato de lítio sejam do mesmo tipo, há algumas diferenças entre esses dois cristais, como o cristal LT, que é mais notável em termos de resistência à fotorrefração do que o cristal LN, que é mais de duas ordens de magnitude superior a ele.

Tabela 2 Propriedades do LN e do LT

4 Propriedades elétricas do niobato de lítio e do tantalato de lítio

Ferroeletricidade e efeito piezoelétrico

Tanto o niobato de lítio (LN) quanto o tantalato de lítio (LT) pertencem à classe dos cristais ferroelétricos, que se distinguem por suas propriedades elétricas exclusivas. Os cristais ferroelétricos possuem ferroeletricidade, em que podem ser polarizados em resposta a um campo elétrico aplicado e manter essa polarização mesmo após a despolarização até serem submetidos a um campo elétrico oposto. Essa característica decorre de sua estrutura cristalina não centrossimétrica. Os cristais ferroelétricos encontram aplicações importantes em eletrônica e óptica, principalmente no desenvolvimento de capacitores, sensores e dispositivos de memória.

O efeito piezoelétrico refere-se ao dielétrico em uma determinada direção pela ação de forças externas e deformação, seu fenômeno de polarização interna, ao mesmo tempo no meio das duas superfícies opostas da carga positiva e negativa. Quando a força externa é removida, ela é restaurada ao estado sem carga, esse fenômeno é chamado de efeito piezoelétrico positivo. Quando a direção da força é alterada, a polaridade da carga também muda. Os cristais com efeito piezoelétrico são chamados de cristais piezoelétricos. A célula de um cristal piezoelétrico é assimétrica, mas ainda pode existir em equilíbrio eletricamente neutro. Quando a pressão é aplicada à superfície do cristal, a estrutura do cristal se deforma e os átomos se empurram uns contra os outros, gerando uma corrente elétrica e completando a transformação de força mecânica em eletricidade; quando uma corrente elétrica é aplicada ao cristal piezoelétrico, o cristal se expande e se contrai e a transformação de corrente elétrica em energia mecânica pode ser realizada.

LN e LT: materiais piezoelétricos superiores

Os cristais de niobato de lítio e os cristais de tantalato de lítio são materiais piezoelétricos típicos com excelentes propriedades piezoelétricas, em comparação com o quartzo de cristal piezoelétrico comumente usado, os cristais de niobato de lítio e os cristais de tantalato de lítio têm excelente efeito piezoelétrico e efeito de acoplamento eletromecânico, podendo ser preparados para dispositivos de alta frequência, de modo que os cristais de niobato de lítio podem ser usados para ressonadores, transdutores, linhas de atraso, filtros etc, É usado em comunicações móveis, comunicações por satélite, processamento de sinais digitais, aparelhos de televisão, comunicações móveis, comunicações por satélite, processamento de sinais digitais, televisão, radiodifusão, radar, telemetria de sensoriamento remoto e outros campos civis, bem como em contramedidas eletrônicas, espoletas, orientação e outros campos militares, dos quais o mais usado é o filtro de ondas acústicas de superfície (SAWF), que é amplamente usado no campo de filtros SAW, transdutores piezoelétricos e outros campos.

O fenômeno da mudança na intensidade da polarização espontânea de um cristal polar devido a uma mudança na temperatura externa é chamado de efeito piroelétrico. Os cristais com essa propriedade são chamados de piroeletricidade dos cristais. Uma característica fundamental dos cristais ferroelétricos é que eles têm um efeito piroelétrico, que pode ser produzido sem a adição de um campo elétrico adicional. Os cristais ferroelétricos, após caírem abaixo da temperatura de Curie, sofrem espontaneamente um certo grau de transição de fase devido à falta de modos vibracionais na estrutura do cristal, o que resulta em assimetria em determinadas direções. Se o piroelétrico for aquecido (dT/dt>0), momento em que os dipolos dentro do material perdem sua orientação devido às vibrações térmicas, seu nível de polarização espontânea diminuirá. Se o material estiver no estado de circuito aberto, a carga livre permanecerá na superfície do eletrodo e gerará um potencial no material. Se o material estiver em um estado de curto-circuito, será gerada uma corrente entre as duas superfícies polarizadas do material. Da mesma forma, se o piroelétrico for resfriado (dT/dt < 0), o dipolo recuperará sua orientação, o que leva a um aumento no nível de polarização espontânea, em que a carga livre é atraída para as superfícies polares, revertendo assim o fluxo de corrente em condições de curto-circuito.

5 Aplicações do niobato de lítio e do tantalato de lítio

5.1 Filtros SAW

Filtros em dispositivos SAW: Os filtros têm sido mais estudados em dispositivos SAW. Os filtros têm as vantagens de baixa perda de transmissão, alta confiabilidade, alta flexibilidade de fabricação, compatibilidade analógica/digital, excelente seletividade de frequência e a capacidade de implementar uma ampla gama de funções complexas. Os materiais usados para fabricar filtros geralmente exigem boa planicidade de superfície, altos coeficientes de acoplamento eletromecânico, baixa perda de propagação, coeficientes de baixa temperatura, boa repetibilidade, alta confiabilidade, produção em massa e baixo custo.

Os coeficientes de acoplamento eletromecânico do tantalato de lítio e do niobato de lítio são mais altos do que os do quartzo, e os cristais de tantalato de lítio podem ter uma largura de banda relativa de 6% a 7%, enquanto o niobato de lítio pode ter uma largura de banda relativa de 10% a 12%, mas os coeficientes de temperatura do tantalato de lítio e do niobato de lítio são mais altos, e os cristais de tantalato de lítio com corte em X têm uma tangente de temperatura zero, de modo que o ponto do coeficiente de temperatura zero pode ser controlado por meio do controle preciso da precisão da tangente. O ponto do coeficiente de temperatura zero pode ser controlado na faixa de temperatura ambiente por meio do controle preciso da precisão do corte, de modo que possa ser usado para fabricar filtros de alta frequência e de grande largura de banda.

O ressonador dos filtros: O ressonador é a unidade básica de um filtro, e seu desempenho tem um grande impacto sobre o desempenho do filtro. Com a crescente demanda por filtros de alto desempenho em terminais de comunicação, os filtros SAW do tipo ressonador são amplamente usados para resolver os problemas de tamanho pequeno, baixo consumo de energia e baixa perda de inserção. O elemento básico do circuito de um filtro SAW do tipo ressonador é o ressonador. A SAW excitada pelo transdutor de dedo de forquilha é refletida para frente e para trás entre as duas grades de reflexão para formar uma ressonância e, ao ajustar a frequência de ressonância do ressonador e a frequência de antirressonância do ressonador, é possível sintetizar filtros passa-baixa, passa-alta, passa-banda e de rejeição de banda. O ressonador pode aumentar a frequência ressonante e a frequência central do filtro e reduzir a rejeição fora da banda do filtro. A frequência de operação do filtro SAW do tipo ressonador é geralmente de 10 MHz a 1 GHz, com a perda de inserção de 1 a 5 dB.

5.2 Osciladores

Um oscilador é um dispositivo que converte energia de corrente contínua em energia de corrente alternada em uma frequência específica, normalmente obtida por meio de um circuito oscilador. Os osciladores operam convertendo energia entre campos magnéticos e elétricos, permitindo a oscilação livre. Eles são comumente categorizados em osciladores RC, osciladores LC e osciladores de cristal. Os osciladores de cristal utilizam o efeito piezoelétrico, em que a aplicação de tensão aos polos da pastilha de cristal deforma o cristal, gerando uma tensão na pastilha. Embora o quartzo seja empregado com frequência devido ao seu pequeno coeficiente de temperatura e boa estabilidade de temperatura, seu baixo coeficiente de acoplamento eletromecânico limita sua capacidade de atingir altas frequências e amplas larguras de banda em filtros. Com o objetivo de melhorar o desempenho do oscilador, pesquisas recentes se concentraram no uso de wafers de tantalato de lítio, o que resultou em melhor desempenho do dispositivo, miniaturização e frequências mais altas.

5.3 Detectores piroelétricos

Os detectores piroelétricos operam trocando calor com o ambiente circundante por meio de convecção térmica, condução térmica e radiação térmica. O princípio de funcionamento envolve a adsorção de elétrons na superfície dos materiais piroelétricos, resultando em uma superfície neutra. Quando submetida ao calor, a temperatura da superfície muda, causando uma variação no momento de dipolo elétrico do material. Para manter a neutralidade da superfície, o material libera uma carga elétrica. Os sensores piroelétricos oferecem vantagens como altas taxas de detecção, amplas frequências de operação, custo-benefício, construção simples e tempos de resposta rápidos. As unidades de detecção dos detectores piroelétricos incluem cerâmicas, cristais únicos e filmes finos. Entre as cerâmicas comuns estão o niobato de tântalo e potássio e o titanato de zirconato de chumbo, enquanto os cristais únicos geralmente incluem o niobato de lítio e o tantalato de lítio. Os filmes finos comumente usados são os de tantalato de lítio e de titanato de zirconato de chumbo. Os cristais de tantalato de lítio são preferidos em detectores piroelétricos devido ao seu coeficiente piroelétrico favorável, ponto Curie e constante dielétrica.

5.4 Q-switches

O valor Q é um indicador da qualidade da cavidade de ressonância óptica no laser. Quanto mais alto o valor Q, menor o limiar de bombeamento necessário e mais fácil é a oscilação do laser. O objetivo do ajuste Q do laser é comprimir a largura do pulso e aumentar a potência de pico. O objetivo da tecnologia de ajuste de Q do laser é comprimir a largura do pulso e aumentar a potência de pico. Atualmente, o interruptor Q comumente usado inclui a tecnologia Q eletro-óptica, a tecnologia Q acústico-óptica, o corante de absorção saturável Q e o corante de absorção saturável Cr4 + ∶ YAG Q. A nova tecnologia Q de laser está sendo constantemente desenvolvida e aplicada, incluindo a combinação Q ativa e Q passiva da tecnologia Q dupla Q ativa e passiva, a tecnologia Q passiva dupla e a tecnologia Q mode-locked.

Atualmente, a grande maioria dos lasers pulsados de nanossegundos é feita de tecnologia Q eletro-óptica, tecnologia Q eletro-óptica, o material principal é o cristal Q eletro-óptico, os cristais Q eletro-ópticos comumente usados incluem cristais de fosfato de di-deutério e potássio, cristais de tantalato de lítio, cristais de niobato de lítio e cristais de fosfato de titânio e óxido de rubídio. Os cristais de tantalato de lítio têm desempenho estável, não deliquidam e têm um alto limiar de dano, por isso são usados com mais frequência.

5.5 Armazenamento holográfico

No século XX, com o rápido avanço da ciência e da tecnologia da informação, as limitações da fita magnética, dos discos e dos CD-ROMs para atender à crescente demanda por armazenamento de dados se tornaram evidentes. Consequentemente, o armazenamento óptico surgiu como uma alternativa promissora, com o armazenamento holográfico refrativo óptico reconhecido como um dos principais concorrentes para a próxima geração de tecnologia de armazenamento óptico. O armazenamento holográfico oferece uma capacidade significativamente maior em comparação com a memória unidimensional e bidimensional tradicional, com escala de capacidade proporcional à terceira potência do recíproco do comprimento de onda da luz.

Apesar das vantagens significativas da memória tridimensional holográfica fotorrefrativa, como tamanho compacto, maior capacidade de armazenamento e taxas de transferência de dados mais rápidas, a falta de materiais fotorrefrativos ideais tem sido um desafio notável. Embora os cristais de Niobato de Lítio (LN) com efeitos fotorrefrativos tenham se mostrado promissores para aplicações de armazenamento holográfico, sua implementação prática é prejudicada por limitações que incluem baixa eficiência de difração de saturação, velocidades de resposta lentas e volatilidade. Os esforços para enfrentar esses desafios envolveram a dopagem de cristais de LN com outros materiais elementares, como Fe, Mn e In, com o objetivo de aprimorar seu desempenho e viabilidade para aplicações práticas.

6 Preparação do niobato de lítio e do tantalato de lítio

6.1 Preparação do niobato de lítio

6.1.1 Preparação do niobato de lítio homocomponente

O niobato de lítio homocomponente é geralmente preparado pelo método de elevação do cadinho. A qualidade dos cristais de tantalato de lítio é geralmente afetada pela proporção de matéria-prima, velocidade de extração, qualidade do cristal de semente, formato e tipo do cadinho. As vantagens do método de extração direta são equipamentos simples, fácil operação e dopagem.

6.1.2 Preparação de niobato de lítio com proporção estequiométrica próxima

O método de dois cadinhos, equipado com um dispositivo de carregamento contínuo, é a abordagem mais madura e comercialmente viável para o crescimento de cristais de niobato de lítio (nSLN) a partir de fundidos ricos em lítio. No entanto, o método de cadinho duplo é cercado de desafios, incluindo equipamentos complexos, dificuldade de controlar o crescimento dos cristais e taxas de crescimento lentas devido à disparidade entre os componentes do fundido e do cristal. Esses fatores resultam em baixos rendimentos e cristais caros, limitando sua ampla aplicação.

Outro método predominante é o método de difusão, no qual os cristais de nSLN são produzidos por difusão de lítio em cristais de CLN em uma atmosfera adequada rica em lítio, influenciada pela temperatura e pelo tempo de difusão. Os cristais de nSLN opticamente homogêneos podem ser obtidos sem inclusões ou partículas de dispersão, até níveis práticos, desde que o substrato de difusão apresente alta homogeneidade óptica. No entanto, a maioria dos métodos de difusão relatados na literatura produz wafers de nSLN cortados em Z com pequenas espessuras. Os substratos espessos ou sem corte em Z podem causar rachaduras ou até mesmo a quebra do wafer após o tratamento de difusão. Em aplicações ópticas práticas, geralmente são necessárias dimensões maiores para atender às especificações de projeto de abertura de passagem e de caminho óptico. Além disso, o método de difusão enfrenta desafios relacionados à corrosão do wafer, à reciclagem de matérias-primas ricas em lítio, à preparação do lote e à consistência do lote de componentes de cristal, o que afeta a eficiência geral do custo.

6.2 Preparação do tantalato de lítio

6.2.1 Preparação do tantalato de lítio homocomponente

Os cristais de tantalato de lítio com a mesma composição são geralmente preparados pela mistura de pentóxido de tântalo de alta pureza e carbonato de lítio de alta pureza em uma proporção estequiométrica de 0,95:1 (proporção molar) e usando o método de extração em cadinho. A qualidade dos cristais de tantalato de lítio é geralmente afetada pela proporção de matérias-primas, pela velocidade de extração, pela qualidade dos cristais de semente, pela forma e pelo tipo de cadinho e por outros fatores. Os cristais de tantalato de lítio são cortados, escurecidos, moídos, chanfrados e limpos para obter wafers de tantalato de lítio. As vantagens do método de trefilação direta são equipamentos simples, fácil operação e dopagem. O método de formação de bolhas, o método de orientação de matriz e o método de gradiente de temperatura também podem realizar a preparação de cristais de tantalato de lítio com a mesma composição, mas são menos usados considerando o custo de preparação, a qualidade do cristal e a dificuldade do processo.

6.2.2 Preparação de tantalato de lítio com proporção estequiométrica próxima

É difícil preparar cristais de tantalato de lítio quase estequiométricos, e os métodos atuais de preparação de cristais de tantalato de lítio quase estequiométricos incluem principalmente o método de cadinho duplo, o método de extração de fluxo, o método de fusão de zona e o método de equilíbrio de troca de fase de gás.

Método do cadinho duplo: O método de cadinho duplo consiste em adicionar continuamente o material fundido ao cadinho durante o processo de preparação do cristal para manter inalterada a composição do material fundido no cadinho, de modo a preparar cristais de tantalato de lítio com proporção quase estequiométrica. Os cristais de tantalato de lítio quase estequiométricos preparados pelo método de dois cadinhos são homogêneos, mas o processo é complicado e caro, e a partição interfacial sólido-líquido leva a um grande número de franjas de crescimento nos cristais crescidos.

Método de extração de fluxo: O método de extração de fluxo consiste em adicionar fluxo no cristal fundido para ajustar o ponto de fusão do cristal, e o fluxo comumente usado é o K2O. Esse método é menos difícil, mas o fluxo é fácil de entrar no cristal e, à medida que a proporção do fluxo aumenta, a composição do derretimento muda com o crescimento do cristal, e é difícil garantir a homogeneidade dos cristais preparados.

Método de fusão por zona: O método de fusão por zona consiste no uso de energia térmica em uma extremidade da barra de semicondutores para produzir uma zona de fusão e, em seguida, fundir-se a um único cristal semente, ajustar a temperatura de modo que a zona de fusão se mova lentamente para a outra extremidade da barra, passando por toda a barra para concluir a preparação dos cristais. Os cristais cultivados por esse método têm distribuição uniforme de composição, economia de energia, alta utilização de matéria-prima e alta qualidade de cristal.

Método de equilíbrio de troca de fase gasosa: A maior vantagem do método de equilíbrio de troca de fase gasosa é que o conteúdo de Li dos cristais pode ser controlado durante o processo de crescimento, e quaisquer amostras de tantalato de lítio com conteúdo conhecido de Li podem ser obtidas de acordo com a demanda real, mas esse método leva muito tempo para processar os cristais e é adequado para a preparação de amostras de folhas grandes, e é difícil obter uma proporção estequiométrica grande e uniforme de cristais únicos.

Tabela 3 Comparação de diferentes métodos de preparação de tantalato de lítio com proporção estequiométrica próxima

7 Conclusão

Tanto o niobato de lítio quanto o tantalato de lítio têm excelentes propriedades ópticas e optoeletrônicas não lineares e podem ser usados em dispositivos ópticos, como filtros, dispositivos eletro-ópticos, componentes piezoelétricos e piroelétricos e armazenamento holográfico. O niobato de lítio pode ser preferido para o armazenamento holográfico, onde são necessárias maior resolução e qualidade de imagem, enquanto o tântalo de lítio é preferido em cenários onde os efeitos de fotorrefração precisam ser minimizados. Em termos de preparação, o método de puxar o crescimento de cristais ainda é o método de preparação mais básico, e diferentes tipos de LTs são preparados usando diferentes métodos, cada um com suas vantagens e desvantagens, e o processo geral é mais complexo.

Como excelentes materiais ópticos, fotovoltaicos, piezoelétricos e termoelétricos, o niobato de lítio e o tantalato de lítio estão disponíveis na Stanford Advanced Materials, e você pode consultar os especialistas da SAM se tiver cenários e perguntas mais específicos sobre o uso deles em aplicações práticas.

Páginas de produtos:

CY0027 Pastilhas de tantalato de lítio (pastilhas de LiTaO3)

CY0066 Wafers de Niobato de Lítio (Wafers de LiNbO3)

Referências

[1] Xiao, X., Xu, Q., Liang, S. et al. Preparação, propriedades elétricas, térmicas e mecânicas de wafers de tantalato de lítio quase estequiométricos. J Mater Sci: Mater Electron 33, 20668-20677 (2022). https://doi.org/10.1007/s10854-022-08878-3

[2] KIMURA T, OMURA M, KISHIMOTO Y, et al. Estudo comparativo de dispositivos de ondas acústicas usando placas piezoelétricas finas na faixa de 3 a 5 GHz [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019, 67(3): 915-921.

[3] RUBY R, GILBERT S, LEE S K, et al. Novo projeto de SAW de silício composto por temperatura para integração de filtro [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2021, 31(6): 674-677.