Plaquettes en tantalate de lithium ou en niobate de lithium : Une comparaison complète pour les passionnés de technologie

1 Introduction

Leniobate de lith ium (LiNbO3, LN) et le tantalate de lithium (LiTaO3, LT) sont deux matériaux cristallins multifonctionnels dotés d'excellentes performances. En termes de propriétés optiques, ils possèdent des propriétés électro-optiques, acousto-optiques et optiques non linéaires, et peuvent être utilisés comme filtres, etc. Le niobate de lithium possède également un effet photoréfractif unique, qui lui permet d'être utilisé dans un nouveau domaine de stockage holographique. Dans le domaine électrique, outre les propriétés électro-optiques, le niobate de lithium et le tantalate de lithium ont des effets piézoélectriques et pyroélectriques, et sont largement utilisés comme substrats piézoélectriques et unités de détection pyroélectriques.

Cet article présente les matériaux de niobate de lithium et de tantalate de lithium à partir de leur structure cristalline, de leurs propriétés optiques, de leurs propriétés électriques, de leur champ d'application, de leur processus de préparation, etc., afin de vous fournir une référence certaine pour le choix des matériaux d'application.

Structures cristallines du niobate de lithium et du tantalate de lithium

Le LN appartient au système cristallin tripartite avec le groupe ponctuel 3m, le groupe spatial R3c et l'axe de symétrie rotationnelle triple. Il est classé en deux types : le niobate de lithium proche de la stœchiométrie (SLN) et le niobate de lithium isotactique (CLN). LT appartient également au système cristallin tripartite et à la structure de type ilménite, avec le réseau ABO3 de l'ossature oxy-octaédrique. La structure cristalline du LN et du LT détermine leurs propriétés optiques distinctives, qui ont des applications uniques en optique non linéaire et en électrophotonique.

Tableau 1 Informations sur la structure cristalline

3 Propriétés optiques du niobate de lithium et du tantalate de lithium

La structure cristalline unique du niobate de lithium et du tantalate de lithium leur confère des propriétés optiques particulières. Le LN et le LT sont des cristaux optiques non linéaires caractérisés par des coefficients optiques non linéaires quadratiques élevés, qui sont essentiels dans divers processus optiques non linéaires, notamment le doublement de fréquence, le mélange, la sommation et la génération de différences. Ils présentent des coefficients électro-optiques significatifs, indiquant leur capacité à modifier l'indice de réfraction sous l'effet de champs électriques appliqués, ce qui les rend idéaux pour une utilisation dans les modulateurs électro-optiques et les commutateurs optiques. En outre, le LN et le LT présentent tous deux une biréfringence, qui se manifeste par la présence de deux indices de réfraction distincts dans le cristal, ce qui permet d'obtenir une sélectivité de la polarisation de la lumière incidente selon des orientations spécifiques. Leur large fenêtre de transparence couvrant les gammes spectrales du visible et de l'infrarouge souligne leur importance dans des applications telles que les communications optiques et la technologie laser.

Les cristaux de niobate de lithium présentent un effet photoréfractif, selon lequel l'indice de réfraction subit des changements inhomogènes lorsqu'il est soumis à une irradiation lumineuse intense. Initialement, ce phénomène posait des problèmes en perturbant les conditions d'adaptation de phase et en réduisant l'efficacité de la conversion par dédoublement de fréquence. Toutefois, des recherches ultérieures ont révélé que cet effet pouvait être exploité pour le stockage holographique, bien qu'il faille recourir à l'irradiation ou à un traitement à haute température pour l'atténuer. Actuellement, l'effet photoréfractif est un outil fondamental dans le traitement optique de l'information, trouvant des applications dans le stockage optique, les affichages holographiques, la modulation spatiale, la différenciation temporelle tout-optique et le traitement de l'image. Néanmoins, les dispositifs utilisant ces cristaux peuvent subir une diffusion importante induite par la lumière, appelée bruit "en éventail", à des intensités lumineuses élevées. En outre, le temps de réponse prolongé du cristal peut fausser la reproduction des informations, ce qui pose des problèmes pour répondre aux demandes d'applications de haute qualité, à réponse rapide et à longue durée de conservation.

Les cristaux de tantalate de lithium présentent de nombreuses propriétés similaires à celles des cristaux de niobate de lithium, telles que la même structure cristalline, la ferroélectricité à température ambiante et une composition non stœchiométrique. Les cristaux de LT sont devenus l'un des matériaux photoréfractifs les plus populaires pour le stockage holographique, car ils présentent les mêmes avantages que les cristaux de LN : stockage massif, stabilité à long terme et effacement répété. Bien que le tantalate de lithium et le niobate de lithium soient du même type, il existe certaines différences entre ces deux cristaux, comme la résistance photoréfractive du cristal LT, qui est supérieure de plus de deux ordres de grandeur à celle du cristal LN.

Tableau 2 Propriétés du LN et du LT

4 Propriétés électriques du niobate de lithium et du tantalate de lithium

Ferroélectricité et effet piézoélectrique

Le niobate de lithium (LN) et le tantalate de lithium (LT) appartiennent tous deux à la classe des cristaux ferroélectriques, qui se distinguent par leurs propriétés électriques uniques. Les cristaux ferroélectriques possèdent la ferroélectricité, c'est-à-dire qu'ils peuvent être polarisés en réponse à un champ électrique appliqué et conserver cette polarisation même après dépolarisation jusqu'à ce qu'ils soient soumis à un champ électrique opposé. Cette caractéristique découle de leur structure cristalline non centrosymétrique. Les cristaux ferroélectriques trouvent des applications importantes en électronique et en optique, notamment dans le développement de condensateurs, de capteurs et de dispositifs de mémoire.

L'effet piézoélectrique désigne le diélectrique qui, dans une certaine direction, sous l'action de forces externes et de déformations, présente un phénomène de polarisation interne, en même temps dans le milieu des deux surfaces opposées de la charge positive et de la charge négative. Lorsque la force extérieure est supprimée, le diélectrique revient à l'état non chargé, ce phénomène est appelé effet piézoélectrique positif. Lorsque la direction de la force est modifiée, la polarité de la charge change également. Les cristaux ayant un effet piézoélectrique sont appelés cristaux piézoélectriques. La cellule d'un cristal piézoélectrique est asymétrique, mais elle peut toujours exister en équilibre électriquement neutre. Lorsqu'une pression est appliquée à la surface du cristal, la structure cristalline se déforme et les atomes se poussent les uns contre les autres, générant ainsi un courant électrique et achevant la transformation de la force mécanique en électricité ; lorsqu'un courant électrique est appliqué au cristal piézoélectrique, le cristal se dilate et se contracte et la transformation du courant électrique en énergie mécanique peut être réalisée.

LN et LT : des matériaux piézoélectriques supérieurs

Les cristaux de niobate de lithium et de tantalate de lithium sont des matériaux piézoélectriques typiques dotés d'excellentes propriétés piézoélectriques. Par rapport au quartz, cristal piézoélectrique couramment utilisé, les cristaux de niobate de lithium et de tantalate de lithium ont un excellent effet piézoélectrique et un effet de couplage électromécanique, et peuvent être préparés pour des dispositifs à haute fréquence, Il est utilisé dans les communications mobiles, les communications par satellite, le traitement des signaux numériques, les téléviseurs, les radiodiffuseurs, les radars, la télédétection et d'autres domaines civils, ainsi que dans les contre-mesures électroniques, les fusées, le guidage et d'autres domaines militaires, dont le plus répandu est le filtre à ondes acoustiques de surface (SAWF), qui est largement utilisé dans le domaine des filtres SAW, des transducteurs piézoélectriques et d'autres domaines.

Le phénomène de changement de l'intensité de la polarisation spontanée d'un cristal polaire dû à un changement de température externe est appelé effet pyroélectrique. Les cristaux présentant cette propriété sont appelés pyroélectricité des cristaux. Une caractéristique fondamentale des cristaux ferroélectriques est qu'ils ont un effet pyroélectrique, qui peut être produit sans l'ajout d'un champ électrique supplémentaire. Les cristaux ferroélectriques, après être descendus en dessous de leur température de Curie, subissent spontanément un certain degré de transition de phase en raison de l'absence de modes vibrationnels dans le réseau cristallin, ce qui se traduit par une asymétrie dans certaines directions. Si le pyroélectrique est chauffé (dT/dt>0), les dipôles du matériau perdent alors leur orientation en raison des vibrations thermiques, et leur niveau de polarisation spontanée diminue. Si le matériau est en circuit ouvert, la charge libre reste à la surface de l'électrode et génère un potentiel sur le matériau. Si le matériau est en court-circuit, un courant est généré entre les deux surfaces polarisées du matériau. De même, si le pyroélectrique est refroidi (dT/dt < 0), le dipôle reprend son orientation, ce qui entraîne une augmentation du niveau de polarisation spontanée, la charge libre étant attirée vers les surfaces polaires, inversant ainsi le flux de courant dans des conditions de court-circuit.

5 Applications du niobate de lithium et du tantalate de lithium

5.1 Filtres SAW

Filtres dans les dispositifs SAW : Les filtres ont été davantage étudiés dans les dispositifs SAW. Les filtres présentent les avantages d'une faible perte de transmission, d'une grande fiabilité, d'une grande souplesse de fabrication, d'une compatibilité analogique/numérique, d'une excellente sélectivité de fréquence et de la possibilité de mettre en œuvre une large gamme de fonctions complexes. Les matériaux utilisés pour fabriquer les filtres exigent généralement une bonne planéité de surface, des coefficients de couplage électromécanique élevés, une faible perte de propagation, des coefficients de température faibles, une bonne répétabilité, une grande fiabilité, une production de masse et un faible coût.

Les coefficients de couplage électromécanique du tantalate de lithium et du niobate de lithium sont plus élevés que ceux du quartz, et les cristaux de tantalate de lithium peuvent réaliser une largeur de bande relative de 6 à 7 %, tandis que le niobate de lithium peut réaliser une largeur de bande relative de 10 à 12 %, mais les coefficients de température du tantalate de lithium et du niobate de lithium sont plus élevés, et les cristaux de tantalate de lithium coupés en X ont une tangente de température zéro de sorte que le point du coefficient de température zéro peut être contrôlé par le contrôle précis de la précision de la tangente. Le point du coefficient de température zéro peut être contrôlé dans la plage de température ambiante en contrôlant précisément la précision de la coupe, de sorte qu'il peut être utilisé pour fabriquer des filtres à haute fréquence et à large bande passante.

Le résonateur des filtres : Le résonateur est l'unité de base d'un filtre et ses performances ont un impact important sur les performances du filtre. Avec la demande croissante de filtres plus performants dans les terminaux de communication, les filtres SAW de type résonateur sont largement utilisés pour résoudre les problèmes de petite taille, de faible consommation d'énergie et de faible perte d'insertion. L'élément de base du circuit d'un filtre SAW à résonateur est le résonateur. Le SAW excité par le transducteur à doigt fourchu est réfléchi dans les deux sens entre les deux grilles de réflexion pour former une résonance. En ajustant la fréquence de résonance du résonateur et la fréquence d'anti-résonance du résonateur, il est possible de synthétiser des filtres passe-bas, passe-haut, passe-bande et à réjection de bande. Le résonateur peut augmenter la fréquence de résonance et la fréquence centrale du filtre, et réduire la réjection hors bande du filtre. La fréquence de fonctionnement des filtres SAW de type résonateur est généralement comprise entre 10 MHz et 1 GHz, avec une perte d'insertion de 1 à 5 dB. Le tantale de lithium étant le centre du matériau composite en tant qu'élément de résonateur, la valeur Q est plus élevée, la génération d'harmoniques multiples joue un rôle.

5.2 Oscillateurs

Un oscillateur est un dispositif qui convertit l'énergie du courant continu en énergie du courant alternatif à une fréquence spécifique, généralement obtenue grâce à un circuit oscillateur. Les oscillateurs fonctionnent en convertissant l'énergie entre les champs magnétiques et électriques, ce qui permet une oscillation libre. Ils sont généralement classés en oscillateurs RC, oscillateurs LC et oscillateurs à cristaux. Les oscillateurs à cristal utilisent l'effet piézoélectrique, où l'application d'une tension aux pôles de la plaquette de cristal déforme le cristal, générant une tension à travers la plaquette. Bien que le quartz soit souvent utilisé en raison de son faible coefficient de température et de sa bonne stabilité thermique, son faible coefficient de couplage électromécanique limite sa capacité à atteindre des fréquences élevées et des largeurs de bande dans les filtres. Afin d'améliorer les performances des oscillateurs, les recherches récentes se sont concentrées sur l'utilisation de plaquettes de tantalate de lithium, ce qui a permis d'améliorer les performances des dispositifs, de les miniaturiser et d'obtenir des fréquences plus élevées.

5.3 Détecteurs pyroélectriques

Les détecteurs pyroélectriques fonctionnent en échangeant de la chaleur avec le milieu environnant par convection thermique, conduction thermique et radiation thermique. Le principe de fonctionnement implique l'adsorption d'électrons à la surface des matériaux pyroélectriques, ce qui donne une surface neutre. Sous l'effet de la chaleur, la température de la surface change, ce qui entraîne une variation du moment dipolaire électrique du matériau. Pour maintenir la neutralité de la surface, le matériau libère une charge électrique. Les capteurs pyroélectriques offrent des avantages tels que des taux de détection élevés, des fréquences de fonctionnement étendues, un bon rapport coût-efficacité, une construction simple et des temps de réponse rapides. Les unités de détection des détecteurs pyroélectriques comprennent les céramiques, les monocristaux et les films minces. Les céramiques courantes comprennent le niobate de potassium et de tantale et le titanate de plomb et de zirconium, tandis que les monocristaux comprennent généralement le niobate de lithium et le tantalate de lithium. Les films minces couramment utilisés sont des films de tantalate de lithium et de titanate de zirconate de plomb. Les cristaux de tantalate de lithium sont préférés dans les détecteurs pyroélectriques en raison de leur coefficient pyroélectrique favorable, de leur point de Curie et de leur constante diélectrique.

5.4 Commutateurs Q

La technologie de réglage du Q des lasers repose sur un composant optique spécial : un commutateur optique rapide intracavité généralement appelé commutateur de réglage du Q ou Q-switch. la valeur Q est un indicateur de la qualité de la cavité de résonance optique dans le laser. plus la valeur Q est élevée, plus le seuil de pompage requis est bas et plus le laser est facile à faire osciller. l'objectif du réglage du Q des lasers est de comprimer la largeur de l'impulsion et d'augmenter la puissance de crête. L'objectif de la technologie de réglage du Q des lasers est de comprimer la largeur de l'impulsion et d'augmenter la puissance de crête. Actuellement, le commutateur Q couramment utilisé comprend la technologie Q électro-optique, la technologie Q acousto-optique, le colorant à absorption saturable Q, et l'absorption saturable Q Cr4 + ∶ YAG. La nouvelle technologie laser Q est constamment développée et appliquée, y compris la technologie Q active et Q passive, la combinaison de la technologie Q active et passive double, la technologie Q passive double, la technologie Q verrouillée en mode.

À l'heure actuelle, la grande majorité des lasers à impulsions nanosecondes sont fabriqués à partir de la technologie Q électro-optique, la technologie Q électro-optique, le matériau de base est le cristal Q électro-optique, les cristaux Q électro-optiques couramment utilisés comprennent les cristaux de phosphate de di-deutérium de potassium, les cristaux de tantalate de lithium, les cristaux de niobate de lithium et les cristaux de phosphate de titane et d'oxyde de rubidium. Les cristaux de tantalate de lithium ont des performances stables, ne se déliquescent pas et ont un seuil d'endommagement élevé, c'est pourquoi ils sont plus souvent utilisés.

5.5 Stockage holographique

Au 20e siècle, avec les progrès rapides de la science et de la technologie de l'information, les limites des bandes magnétiques, des disques et des CD-ROM pour répondre à la demande croissante de stockage de données sont devenues évidentes. Le stockage optique est alors apparu comme une alternative prometteuse, le stockage holographique par réfraction étant reconnu comme un concurrent majeur pour la prochaine génération de technologie de stockage optique. Le stockage holographique offre une capacité nettement supérieure à celle des mémoires unidimensionnelles et bidimensionnelles traditionnelles, avec une capacité proportionnelle à la troisième puissance de la réciproque de la longueur d'onde de la lumière.

Malgré les avantages significatifs de la mémoire tridimensionnelle holographique photoréfractive, tels que la taille compacte, la capacité de stockage accrue et les taux de transfert de données plus rapides, l'absence de matériaux photoréfractifs idéaux a constitué un défi de taille. Bien que les cristaux de niobate de lithium (LN) présentant des effets photoréfractifs se soient révélés prometteurs pour les applications de stockage holographique, leur mise en œuvre pratique est entravée par des limitations telles qu'une faible efficacité de diffraction à saturation, des vitesses de réponse lentes et une certaine volatilité. Les efforts pour relever ces défis ont consisté à doper les cristaux de LN avec d'autres matériaux élémentaires tels que le Fe, le Mn et l'In, afin d'améliorer leurs performances et leur viabilité pour des applications pratiques.

6 Préparation du niobate de lithium et du tantalate de lithium

6.1 Préparation du niobate de lithium

6.1.1 Préparation du niobate de lithium homocomposant

Le niobate de lithium homocomposant est souvent préparé par la méthode de levage au creuset. La qualité des cristaux de tantalate de lithium est généralement influencée par la proportion de matières premières, la vitesse de tirage, la qualité des cristaux de semence, la forme et le type de creuset. Les avantages de la méthode de tirage direct sont la simplicité de l'équipement, de l'opération et du dopage.

6.1.2 Préparation du niobate de lithium avec un rapport stœchiométrique proche

La méthode à deux creusets, équipée d'un dispositif de chargement continu, est l'approche la plus mature et la plus commercialement viable pour la croissance de cristaux de niobate de lithium (nSLN) à partir de matières fondues riches en lithium. Cependant, la méthode à double creuset est confrontée à des défis tels que la complexité de l'équipement, la difficulté de contrôler la croissance des cristaux et la lenteur des taux de croissance en raison de la disparité entre les composants de la matière fondue et les cristaux. Ces facteurs se traduisent par de faibles rendements et des cristaux coûteux, ce qui limite leur application à grande échelle.

Une autre méthode répandue est la méthode de diffusion, dans laquelle les cristaux de nSLN sont produits par diffusion de lithium dans les cristaux de CLN dans une atmosphère riche en lithium appropriée, influencée par la température et la durée de la diffusion. Des cristaux de nSLN optiquement homogènes peuvent être obtenus sans inclusions ni particules diffusantes, jusqu'à des niveaux pratiques, à condition que le substrat de diffusion présente une grande homogénéité optique. Néanmoins, la plupart des méthodes de diffusion décrites dans la littérature permettent d'obtenir des plaquettes de nSLN coupées en Z et de faible épaisseur. Les substrats épais ou non coupés en Z peuvent entraîner des fissures ou même la rupture de la plaquette après le traitement de diffusion. Dans les applications optiques pratiques, des dimensions plus importantes sont souvent nécessaires pour répondre aux spécifications de conception de l'ouverture traversante et du chemin optique. En outre, la méthode de diffusion est confrontée à des défis liés à la corrosion des plaquettes, au recyclage des matières premières riches en lithium, à la préparation des lots et à la cohérence des lots de composants cristallins, ce qui affecte le rapport coût-efficacité global.

6.2 Préparation du tantalate de lithium

6.2.1 Préparation du tantalate de lithium homocomposant

Les cristaux de tantale de lithium de même composition sont souvent préparés en mélangeant du pentoxyde de tantale de haute pureté et du carbonate de lithium de haute pureté dans un rapport stœchiométrique de 0,95:1 (rapport molaire) et en utilisant la méthode de tirage au creuset. La qualité des cristaux de tantalate de lithium dépend généralement du rapport entre les matières premières, de la vitesse de tirage, de la qualité des cristaux de semence, de la forme et du type de creuset, ainsi que d'autres facteurs. Les cristaux de tantalate de lithium sont tranchés, noircis, broyés, chanfreinés et nettoyés pour obtenir des plaquettes de tantalate de lithium. Les avantages de la méthode de l'étirage droit sont la simplicité de l'équipement, la facilité d'utilisation et le dopage. La méthode de la cloque, la méthode du guidage de la matrice et la méthode du gradient de température peuvent également permettre de préparer des cristaux de tantalate de lithium avec la même composition, mais elles sont moins utilisées compte tenu du coût de préparation, de la qualité des cristaux et de la difficulté du processus.

6.2.2 Préparation du tantalate de lithium avec un rapport stœchiométrique proche

Il est difficile de préparer des cristaux de tantalate de lithium proches de la stœchiométrie, et les méthodes actuelles de préparation de cristaux de tantalate de lithium proches de la stœchiométrie comprennent principalement la méthode du double creuset, la méthode d'extraction par flux, la méthode de fusion par zone et la méthode d'échange de phase gazeuse.

Méthode du double creuset : La méthode du double creuset consiste à ajouter continuellement de la matière fondue au creuset pendant le processus de préparation des cristaux afin de maintenir inchangée la composition de la matière fondue dans le creuset, de manière à préparer des cristaux de tantalate de lithium avec un rapport proche de la stœchiométrie. Les cristaux de tantalate de lithium proches de la stœchiométrie préparés par la méthode à deux creusets sont homogènes, mais le processus est compliqué et coûteux, et le cloisonnement interfacial solide-liquide entraîne un grand nombre de franges de croissance dans les cristaux cultivés.

Méthode d'extraction de flux : La méthode d'extraction de flux consiste à ajouter un flux dans le cristal fondu pour ajuster le point de fusion du cristal, et le flux couramment utilisé est le K2O. Cette méthode est moins difficile, mais le flux pénètre facilement dans le cristal, et lorsque la proportion de flux augmente, la composition de la masse fondue change avec la croissance du cristal, et il est difficile de garantir l'homogénéité des cristaux préparés.

Méthode de fusion par zone : La méthode de fusion par zone consiste à utiliser l'énergie thermique à une extrémité de la barre semi-conductrice pour produire une zone de fusion, puis à la fusionner avec un cristal de semence unique, à ajuster la température de manière à ce que la zone de fusion se déplace lentement vers l'autre extrémité de la barre, à travers toute la barre pour achever la préparation des cristaux. Les cristaux produits par cette méthode présentent une distribution uniforme de la composition, une économie d'énergie, une utilisation élevée des matières premières et une grande qualité de cristal.

Méthode d'équilibre par échange de phase gazeuse : Le plus grand avantage de la méthode d'échange en phase gazeuse est que la teneur en Li des cristaux peut être contrôlée pendant le processus de croissance, et que des échantillons de tantalate de lithium avec une teneur en Li connue peuvent être obtenus en fonction de la demande réelle, mais cette méthode prend beaucoup de temps pour traiter les cristaux et convient à la préparation d'échantillons de feuilles de grande taille, et il est difficile d'obtenir un rapport stœchiométrique important et uniforme de cristaux uniques.

Tableau 3 Comparaison de différentes méthodes de préparation du tantalate de lithium avec un rapport stœchiométrique proche

7 Conclusion

Le niobate de lithium et le tantalate de lithium présentent tous deux d'excellentes propriétés optiques et optoélectroniques non linéaires et peuvent être utilisés dans des dispositifs optiques tels que les filtres, les dispositifs électro-optiques, les composants piézoélectriques et pyroélectriques, et le stockage holographique. Le niobate de lithium peut être préféré pour le stockage holographique lorsqu'une résolution et une qualité d'image plus élevées sont requises, tandis que le lithium tantale est préféré dans les scénarios où les effets photoréfractifs doivent être minimisés. En termes de préparation, la méthode de tirage par croissance cristalline reste la méthode de préparation la plus élémentaire et différents types de LT sont préparés à l'aide de différentes méthodes, chacune ayant ses avantages et ses inconvénients, et le processus global est plus complexe.

En tant qu'excellents matériaux optiques, photovoltaïques, piézoélectriques et thermoélectriques, le niobate de lithium et le tantalate de lithium sont disponibles à Stanford Advanced Materials, et vous êtes invités à consulter les spécialistes de SAM si vous avez des scénarios et des questions plus spécifiques concernant leur utilisation dans des applications pratiques.

Pages du produit :

CY0027 Plaquettes de tantalate de lithium (plaquettes LiTaO3)

CY0066 Plaquettes de niobate de lithium (plaquettes LiNbO3)

Références

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