stringtranslate.com

Ниобат лития

Ниобат лития ( Li Nb O 3 ) — синтетическая соль, состоящая из ниобия , лития и кислорода . Его монокристаллы являются важным материалом для оптических волноводов, мобильных телефонов, пьезоэлектрических датчиков, оптических модуляторов и различных других линейных и нелинейных оптических приложений. [6] Ниобат лития иногда называют линобатом торговой марки . [7]

Характеристики

Ниобат лития — бесцветное твердое вещество, нерастворимое в воде. Он имеет тригональную кристаллическую систему , лишенную инверсионной симметрии и проявляющую сегнетоэлектричество , эффект Поккельса , пьезоэлектрический эффект, фотоупругость и нелинейную оптическую поляризуемость. Ниобат лития обладает отрицательным одноосным двулучепреломлением , которое слабо зависит от стехиометрии кристалла и температуры. Он прозрачен для длин волн от 350 до 5200 нанометров .

Ниобат лития можно легировать оксидом магния , что повышает его устойчивость к оптическим повреждениям (также известным как фоторефрактивные повреждения). Другими доступными легирующими добавками являются железо , цинк , гафний , медь , гадолиний , эрбий , иттрий , марганец и бор .

Рост

Монокристаллическая пластина ниобата лития с Z-образным вырезом.

Монокристаллы ниобата лития можно выращивать с использованием процесса Чохральского . [8]

После выращивания кристалла его разрезают на пластины разной ориентации. Распространенными ориентациями являются Z-образный вырез, X-образный вырез, Y-образный вырез и разрезы с повернутыми углами предыдущих осей. [9]

Тонкие пленки

Тонкопленочный ниобат лития (например, для оптических волноводов ) можно переносить или выращивать на сапфире и других подложках, используя процесс умной резки (ионной резки) [10] [11] или процесс MOCVD . [12] Эта технология известна как ниобат лития на изоляторе (LNOI). [13]

Наночастицы

Наночастицы ниобата лития и пятиокиси ниобия можно производить при низкой температуре. [14] Полный протокол подразумевает индуцированное LiH восстановление NbCl 5 с последующим спонтанным окислением in situ в нанооксиды ниобия низкой валентности. Эти оксиды ниобия подвергаются воздействию воздушной атмосферы, в результате чего образуется чистый Nb 2 O 5 . Наконец, стабильный Nb 2 O 5 превращается в наночастицы ниобата лития LiNbO 3 в ходе контролируемого гидролиза избытка LiH. [15] Сферические наночастицы ниобата лития диаметром около 10 нм можно получить пропиткой мезопористой кремнеземной матрицы смесью водного раствора LiNO 3 и NH 4 NbO(C 2 O 4 ) 2 с последующим 10-минутным нагреванием. в инфракрасной печи. [16]

Приложения

Ниобат лития широко используется на рынке телекоммуникаций, например, в мобильных телефонах и оптических модуляторах . [17] Из-за сильной электромеханической связи этот материал является предпочтительным материалом для устройств на поверхностных акустических волнах . В некоторых случаях его можно заменить танталатом лития Li Ta O 3 . Другие области применения: удвоение частоты лазеров , нелинейная оптика , ячейки Поккельса , оптические параметрические генераторы , устройства переключения добротности для лазеров, другие акустооптические устройства, оптические переключатели для гигагерцовых частот и т. д. Это отличный материал для изготовления оптических волноводов . Он также используется при создании оптических пространственных фильтров нижних частот ( сглаживания ).

В последние несколько лет ниобат лития находит применение в качестве своего рода электростатических пинцетов — подход, известный как оптоэлектронные пинцеты, поскольку для возникновения эффекта требуется световое возбуждение. [18] [19] Этот эффект позволяет тонко манипулировать частицами микрометрового масштаба с высокой гибкостью, поскольку действие пинцета ограничивается освещенной областью. Эффект основан на очень сильных электрических полях, генерируемых во время воздействия света (1–100 кВ/см) внутри освещенного пятна. Эти интенсивные области также находят применение в биофизике и биотехнологии, поскольку они могут влиять на живые организмы различными способами. [20] Например, было показано, что легированный железом ниобат лития, возбуждаемый видимым светом, вызывает гибель клеток в культурах опухолевых клеток. [21]

Ниобат лития с периодической поляризацией (PPLN)

Ниобат лития с периодической поляризацией ( PPLN ) представляет собой доменно-инженерный кристалл ниобата лития, используемый в основном для достижения квазисинхронизма в нелинейной оптике . Сегнетоэлектрические домены направлены попеременно в направлении +c и -c , с периодом обычно от 5 до 35  мкм . Более короткие периоды этого диапазона используются для генерации второй гармоники , а более длинные — для оптических параметрических колебаний . Периодического полюсирования можно добиться с помощью электрического полюсирования с помощью периодически структурированного электрода. Контролируемый нагрев кристалла можно использовать для точной настройки фазового синхронизма в среде за счет небольшого изменения дисперсии с температурой.

При периодическом опросе используется наибольшее значение нелинейного тензора ниобата лития, d 33 = 27 пм/В. Квазисинхронизм дает максимальные КПД, составляющие 2/π (64%) от полного d 33 , около 17 пм/В. [22]

Другими материалами, используемыми для периодической поляризации, являются неорганические кристаллы с широкой запрещенной зоной, такие как KTP (приводящие к периодически поляризованным KTP , PPKTP ), танталат лития и некоторые органические материалы.

Метод периодической поляризации также можно использовать для формирования поверхностных наноструктур . [23] [24]

Однако из-за низкого порога фоторефракционного разрушения PPLN находит лишь ограниченное применение, а именно, при очень низких уровнях мощности. Ниобат лития, легированный MgO, получают методом периодической поляризации. Таким образом, ниобат лития, легированный MgO с периодической поляризацией (PPMgOLN), расширяет область применения до среднего уровня мощности.

Уравнения Селлмейера

Уравнения Селлмейера для необыкновенного индекса используются для определения периода поляризации и приблизительной температуры для квазисинхронизма. Юндт [25] дает

действителен от 20 до 250 °C для длин волн от 0,4 до 5  микрометров , тогда как для более длинных волн [26]

что справедливо для T = от 25 до 180 °C и для длин волн λ от 2,8 до 4,8 микрометров.

В этих уравнениях f = ( T − 24,5) ( T + 570,82), λ находится в микрометрах, а T — в °C.

В более общем плане для обычного и экстраординарного индекса LiNbO 3 , легированного MgO :

с:

для конгруэнтного LiNbO 3 (CLN) и стехиометрического LiNbO 3 (SLN). [27]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ аб Хейнс, с. 4,70
  2. ^ Занатта, Арканзас (август 2022 г.). «Оптическая запрещенная зона ниобата лития (LiNbO3) и ее зависимость от температуры». Результаты Физ . 39 : 105736–3 стр. дои : 10.1016/j.rinp.2022.105736 . S2CID  249688492.
  3. ^ Хейнс, с. 10.250
  4. ^ Уилкинсон, AP; Читам, АК; Джарман, Р.Х. (1993). «Дефектная структура конгруэнтно плавящегося ниобата лития». Журнал прикладной физики . 74 (5): 3080–3083. Бибкод : 1993JAP....74.3080W. дои : 10.1063/1.354572.
  5. ^ «ChemIDplus - 12031-63-9 - PSVBHJWAIYBPRO-UHFFFAOYSA-N - Ниобат лития - Поиск подобных структур, синонимы, формулы, ссылки на ресурсы и другая химическая информация» .
  6. ^ Вейс, РС; Гейлорд, ТК (1985). «Ниобат лития: краткая информация о физических свойствах и кристаллической структуре». Прикладная физика A: Материаловедение и обработка . 37 (4): 191–203. Бибкод : 1985ApPhA..37..191W. дои : 10.1007/BF00614817. S2CID  97851423.
  7. ^ Стейблер, DL; Амодей, Джей-Джей (1972). «Термически закрепленные голограммы в LiNbO 3 ». Сегнетоэлектрики . 3 (1): 107–113. Бибкод : 1972Fer.....3..107S. дои : 10.1080/00150197208235297. S2CID  51674085., видели в Йе, Почи; Гу, Клэр, ред. (1995). Знаковые статьи по фоторефрактивной нелинейной оптике . Всемирная научная. п. 182. ИСБН 9789814502979.
  8. ^ Волк, Татьяна; Волеке, Манфред (2008). Ниобат лития: дефекты, фоторефракция и сегнетоэлектрическое переключение . Спрингер. стр. 1–9. дои : 10.1007/978-3-540-70766-0. ISBN 978-3-540-70765-3.
  9. ^ Вонг, К.К. (2002). Свойства ниобата лития . Лондон, Великобритания: INSPEC. п. 8. ISBN 0-85296-799-3.
  10. ^ Леви, М.; Осгуд, Р.М.; Лю, Р.; Кросс, LE; Каргилл, GS; Кумар, А.; Бахру, Х. (19 октября 1998 г.). «Изготовление монокристаллических пленок ниобата лития методом нарезки ионов кристаллов». Письма по прикладной физике . 73 (16): 2293–2295. Бибкод : 1998ApPhL..73.2293L. дои : 10.1063/1.121801. ISSN  0003-6951.
  11. ^ Лу, Х.; Садани, Б.; Куржаль, Н.; Уллиак, Г.; Смит, Н.; Стенгер, В.; Колле, М.; Байда, Финляндия; Бернал, член парламента (2012). «Усовершенствованный электрооптический фотонно-кристаллический волновод из ниобата лития на тонкой пленке с умной резкой». Оптика Экспресс . 20 (3): 2974–2981. дои : 10.1364/oe.20.002974 . ПМИД  22330535 . Проверено 8 июля 2022 г.
  12. ^ Фейгельсон, Р.С. (1996). «Эпитаксиальный рост тонких пленок ниобата лития методом MOCVD с твердым источником». Журнал роста кристаллов . 166 (1–4): 1–16. Бибкод : 1996JCrGr.166....1F. дои : 10.1016/0022-0248(95)00570-6 .
  13. ^ Ху, Хуэй; Ян, Джин; Гуй, Ли; Солер, Вольфганг (2012). «Ниобат лития на изоляторе (ЛНОИ): состояние и перспективы» (PDF) . Кремниевая фотоника и фотонные интегральные схемы III . Том. 8431. стр. 84311Д. дои : 10.1117/12.922401. S2CID  120452519.
  14. ^ Грейндж, Р.; Чой, JW; Се, CL; Пу, Ю.; Магре, А.; Смайда, Р.; Форро, Л.; Псалтис, Д. (2009). «Нанопроволоки ниобата лития: синтез, оптические свойства и манипуляции». Письма по прикладной физике . 95 (14): 143105. Бибкод : 2009ApPhL..95n3105G. дои : 10.1063/1.3236777. Архивировано из оригинала 14 мая 2016 г.
  15. ^ Офрей М, Менуэль С, Форт Y, Эшбах Дж, Руксель Д, Винсент Б (2009). «Новый синтез наноразмерных оксидов ниобия и частиц ниобата лития и их характеристика с помощью РФЭС-анализа». Журнал нанонауки и нанотехнологий . 9 (8): 4780–4789. CiteSeerX 10.1.1.465.1919 . дои : 10.1166/jnn.2009.1087. ПМИД  19928149. 
  16. ^ Григас, А; Каскель, С (2011). «Синтез наночастиц LiNbO3 в мезопористой матрице». Журнал нанотехнологий Бейльштейна . 2 : 28–33. дои : 10.3762/bjnano.2.3. ПМК 3045940 . ПМИД  21977412. 
  17. ^ Тони, Джеймс (2015). Фотоника ниобата лития . Артех Хаус. ISBN 978-1-60807-923-0.
  18. ^ Карраскоса, М.; Гарсиа-Кабаньес, А.; Джубера, М.; Рамиро, Дж.Б.; Агулло-Лопес, Ф. (2015). «LiNbO 3 : Фотоэлектрическая подложка для массовых параллельных манипуляций и формирования рисунка нанообъектов». Обзоры прикладной физики . Издательство АИП. 2 (4): 040605. Бибкод : 2015ApPRv...2d0605C. дои : 10.1063/1.4929374. hdl : 10486/669584 . ISSN  1931-9401.
  19. ^ Гарсиа-Кабаньес, Анхель; Бласкес-Кастро, Альфонсо; Арисменди, Луис; Агулло-Лопес, Фернандо; Карраскоса, Мерседес (30 января 2018 г.). «Последние достижения в области фотоэлектрических оптоэлектронных пинцетов на основе ниобата лития». Кристаллы . МДПИ АГ. 8 (2): 65. дои : 10.3390/cryst8020065 . hdl : 10486/681685 . ISSN  2073-4352.
  20. ^ Бласкес-Кастро, А.; Гарсиа-Кабаньес, А.; Карраскоса, М. (2018). «Биологическое применение сегнетоэлектриков». Обзоры прикладной физики . Издательство АИП. 5 (4): 041101. arXiv : 2109.00429 . Бибкод : 2018ApPRv...5d1101B. дои : 10.1063/1.5044472. ISSN  1931-9401. S2CID  139511670.
  21. ^ Бласкес-Кастро, Альфонсо; Стокерт, Хуан К.; Лопес-Ариас, Бегонья; Хуарранс, Анхелес; Агулло-Лопес, Фернандо; Гарсиа-Кабаньес, Анхель; Карраскоса, Мерседес (2011). «Гибель опухолевых клеток, вызванная объемным фотоэлектрическим эффектом LiNbO3:Fe под воздействием видимого света». Фотохимические и фотобиологические науки . ООО «Спрингер Сайенс энд Бизнес Медиа». 10 (6): 956–963. дои : 10.1039/c0pp00336k . ISSN  1474-905Х. ПМИД  21336376.
  22. ^ Мейн, Ж.-П.; Лауэ, К.; Кнаппе, Р.; Валленштейн, Р.; Фейер, ММ (2001). «Изготовление танталата лития с периодической поляризацией для генерации УФ-излучения диодными лазерами». Прикладная физика Б. 73 (2): 111–114. Бибкод : 2001ApPhB..73..111M. дои : 10.1007/s003400100623. S2CID  119763435.
  23. ^ Грилли, Симонетта; Ферраро, Пьетро; Де Натале, Паоло; Тирибилли, Бруно; Вассалли, Массимо (2005). «Поверхностные наноразмерные периодические структуры в конгруэнтном ниобате лития путем формирования рисунка с обращением доменов и дифференциального травления». Письма по прикладной физике . 87 (23): 233106. Бибкод : 2005ApPhL..87w3106G. дои : 10.1063/1.2137877 .
  24. ^ Ферраро, П.; Грилли, С. (2006). «Модуляция толщины рисунка резиста для управления размером и глубиной субмикронных обращенных доменов в ниобате лития». Письма по прикладной физике . 89 (13): 133111. Бибкод : 2006ApPhL..89m3111F. дои : 10.1063/1.2357928.
  25. ^ Юндт, Дитер Х. (1997). «Температурно-зависимое уравнение Селлмейера для показателя преломления в конгруэнтном ниобате лития». Оптические письма . 22 (20): 1553–1555. Бибкод : 1997OptL...22.1553J. дои : 10.1364/OL.22.001553. ПМИД  18188296.
  26. ^ Дэн, Л.Х.; Гао, XM; Цао, З.С.; Чен, В.Д.; Юань, YQ; Чжан, WJ; Гонг, ЗБ (2006). «Усовершенствование уравнения Селлмейера для кристалла LiNbO 3 с периодической поляризацией с использованием генерации разностной частоты в среднем инфракрасном диапазоне». Оптические коммуникации . 268 (1): 110–114. Бибкод : 2006OptCo.268..110D. doi : 10.1016/j.optcom.2006.06.082.
  27. ^ Гейер, О.; Сакс, З.; Галун, Э.; Арье, А. (2008). «Уравнения показателя преломления, зависящие от температуры и длины волны, для конгруэнтного и стехиометрического LiNbO 3 , легированного MgO ». Прил. Физ. Б. _ 91 (2): 343–348. Бибкод : 2008ApPhB..91..343G. дои : 10.1007/s00340-008-2998-2. S2CID  195290628.

Цитируемые источники

Внешние ссылки