光通信如何不被卡脖子?这种陶瓷材料被寄予厚望!


来源:中国粉体网   平安

[导读]  在如今复杂的国际形势下,完善产业链,形成自主可控的关键技术显得尤为重要

中国粉体网讯  2020年,国家最高领导人到山西太原视察山西转型综合改革示范区,据当地一位负责人介绍说:“在看到碳化硅、铌酸锂晶体等新材料时,总书记非常感兴趣,认为这些是解决‘卡脖子’的产品。”“总书记的知识储备量非常丰富。”这位负责人印象深刻:“那些绕口的新材料制品名字,总书记也能说上来。”



(图片来源:新华社)


的确,相比碳化硅这种目前备受关注的新材料,铌酸锂不仅名字有些绕口,而且即使是从事新材料研发和生产的朋友听过这种材料的也不多。那么,铌酸锂有什么用途?它又是如何制备出来的呢?我们一起来初步了解一下。

性能与应用进展

自从1965年铌酸锂(LN)单晶成功地生长出以来,人们对LiNbO3性能的研究和应用就产生了浓厚的兴趣。铌酸锂晶体是无色或带淡黄色的透明晶体,LN的居里温度Tc高达1210℃,是目前已知的居里温度最高的压电铁电材料,因此也被称为高温铁电体,在高温压电器件应用方面有着广阔的应用前景。



铌酸锂晶体(图片来源:南开大学)

从结构看,它是一种多畴单晶,它必须通过极化处理后才能成为单畴单晶,从而呈现出类似单晶体的特点,即机械性能各向异性。它的时间稳定性好、居里温度高,在高温、强幅射条件下,仍具有良好的压电性,且机械性能,如机电耦合系数、介电常数、频率常数等均保持不变。

此外,它还具有良好的光电、声光效应,因此在光电、微声和激光等器件方面都有重要应用。不足之处是质地脆、抗机械和热冲击性差。纯LN陶瓷很难制备,这主要是在烧结过程中由于Li具有一定的流动性,如在大气氛围中常压烧结,很难得到致密的陶瓷体,从而对陶瓷的结晶性及电学性能产生较大的影响。铌酸锂由于压电、光电性能好、机械品质因素高等优点,在电光和声光装置中有广泛的应用前景。

光通信应用

铌酸锂晶体的光电效应非常丰富,其中电光效应、非线性光学效应性能突出,应用也最为广泛,而且铌酸锂晶体可以通过质子交换或钛扩散制备高品质的光波导,又能够通过极化翻转制备周期性极化晶体,所以在电光调制器、集成光开关、电光调Q开关等众多器件中得到广泛应用。

光学应用的铌酸锂晶体中传播的是光波,波长从数百纳米到几微米,不仅需要晶体具有优异的光学均匀性,还需要对尺度可以和光波波长相比拟的晶体缺陷进行严格控制。此外,作为光学应用通常需要控制光波在晶体中传播时的相位、偏振等参量,这些参量与晶体的折射率大小和折射率分布直接相关,因此还需尽可能消除晶体的内部应力和外部应力,避免光弹效应导致的应力双折射,满足光学应用需求的铌酸锂晶体通常被称为“光学级铌酸锂晶体”。



铌酸锂单晶薄膜(图片来源:济南晶正)

光调制器是高速光通信网络的关键器件,未来对铌酸锂电光调制器的要求包括更高调制速率以及小型化、集成化,基于铌酸锂单晶薄膜的调制器对于器件的小型化和集成化起到了重要作用。光通信技术是第五代移动通讯网络(5G)建设的重要一环,铌酸锂电光调制器作为其中的核心器件,也会迎来更大的发展。



铌酸锂电光调制器(图片来源:安特)


铌酸锂粉体的制备

就目前研究情况看,合成铌酸锂粉体的主要方法有:溶胶一凝胶法(Sol-Gel法)、水(溶剂)热、燃烧法(自蔓延燃烧)、盐熔法、模板法、前驱体法。

溶胶一凝胶法

其基本原理是:将金属醇盐或无机盐经过水解形成溶胶,或经过解凝形成溶胶,然后使溶质聚合凝胶化,再将凝胶干燥、焙烧,去除有机成分,最后得到无机材料。



铌酸锂粉体的溶胶一凝胶合成工艺


水(溶剂)热合成

水(溶剂)热法是指在特制的密闭反应器中采用水溶液(或其它非水溶剂)作为反应体系,通过对反应体系加热、加压(或自生蒸气压)创造一个相对高温、高压的反应环境,使得通常难溶或不溶的物质溶解并且重结晶而进行无机合成与材料处理的一种有效方法。



铌酸锂粉体的水热合成工艺


自蔓延燃烧法

自蔓延高温合成(SHS)法,也称燃烧合成法,是近20多年来发展起来的制取材料尤其是高温、难熔和耐磨材料的新方法,属高新技术领域。其最大特点是利用反应物内部的化学能来合成材料。一经点燃,燃烧反应即可自我维持,一般不再需要补充能量。整个工艺过程极为简单,能耗低,生产率高,且产品纯度很高。

燃烧法合成铌酸锂是将氧化铌、碳酸锂和尿素的粉末混合后,在坩埚中充分研磨混合,再将混合后的粉末加热到500℃左右。在此期间,尿素发生分解反应,该反应为放热反应。所以系统外的加热温度虽然很低,但反应物的温度却可以使氧化铌和碳酸锂发生反应,生成铌酸锂粉体。

盐熔法

该方法是一种简单的固相反应,利用金属盐的低熔点特性,为反应提供一个充分接触的环境,工艺过程为硝酸锂和五氧化二铌以5:1研磨混合,置于反应容器内,于400-500℃烧结2-8h,氮气条件下冷却至室温,过滤冲洗,120℃干燥,即生成铌酸锂粉体。

机械球磨法

有文献曾报道用该方法合成铌酸锂粉体:将Li2CO3和Nb2O5等摩尔比混合,球磨罐转速为300r/min,为防止球磨温度过热,球磨半小时间歇15分钟,球磨时间为32-42小时,得到晶态和玻璃态铌酸锂混合物。

前驱体法

该方法的原理主要是合成目标产物的前驱体粉末,然后进行热处理,得到目标产物。该方法的主要优点是热处理的温度远远低于普通固相反应温度。



铌酸锂粉体的前驱体法合成工艺


铌酸锂晶体主要生长方法

提拉法

提拉法是一种成熟的熔体生长铌酸锂晶体方法,也称为直拉法。1965年,Ballman利用提拉法成功生长出了铌酸锂(LN)晶体,它优异的光折变性,在声光器件、光波导、传感器、全息存储以及3D全息显示都有着巨大的开发潜力。目前提拉法可生长铌酸锂晶体、钽酸锂晶体、硅单晶、激光晶体、氧化物晶体等。

坩埚下降法

坩埚下降法作为晶体生长最为广泛的技术之一,已应用于各种类型晶体的生长,例如铁电晶体、压电晶体、热电晶体等。其中,2003年,Chen等利用坩埚下降法生长纯的LN晶体。2010年,Li等利用下降法生长了掺镁铌酸锂晶体。但是目前生长高均匀性的掺镁铌酸锂比较困难。


坩埚下降法的生长原理示意图


小结

有评论认为,铌酸锂晶体对于光子学而言,就像硅材料对于电子学一样重要,现在正在进入“铌酸锂谷”时代,铌酸锂晶体集多种光电性能于一体且能够达到实用化性能要求,在光电材料中非常罕见,随着铌酸锂晶体集成光子学芯片理论、制备及应用等核心技术的发展与完善,铌酸锂晶体能成为光子时代的“光学硅”材料,为集成光子学的发展提供战略性基础支撑。

LN集成光路技术的最新进展,也已展示了其优越的器件性能,获得了科研和产业界的广泛关注。所幸的是,我国正在形成一条从LN单晶薄膜到集成光路技术的产业链,在如今复杂的国际形势下,完善产业链,形成自主可控的关键技术显得尤为重要。因此,当前需发展大尺寸(8~12英寸(200~300 mm))LN晶体,促使LN与半导体产业接轨,突破大尺寸单晶薄膜制备工艺,为LN集成光路技术的发展奠定材料基础。

参考来源:

铌酸锂晶体及其应用概述,孙军等,南开大学物理科学学院

信息时代的铌酸锂晶体:进展与展望,刘宏等,山东大学晶体材料国家重点实验室

铌酸锂粉体的制备和研究进展,宁海霞等,西南科技大学材料科学与工程学院

铌酸锂粉体的湿化学法制备工艺,罗超,大连理工大学

铌酸锂晶体极化工艺及坩埚下降法生长研究,闫晓东,上海应用技术大学

(中国粉体网编辑整理/平安)

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作者:平安

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