隨著物聯(lián)網(wǎng)、人工智能、大數(shù)據(jù)技術(shù)的快速發(fā)展，鉭酸鋰（LiTaO₃）因具有壓電、聲光、電光等一眾優(yōu)良性能，而被廣泛應(yīng)用于數(shù)字信號處理、5G通信、制導(dǎo)、紅外探測器等領(lǐng)域，其單晶薄膜更是被認為是后摩爾時代新器件發(fā)展迫切需求的新材料。接下來，小編將為大家介紹鉭酸鋰及其相關(guān)應(yīng)用。

圖源：鑫科匯

鉭酸鋰是什么？

鉭酸鋰是一種性能優(yōu)良的多功能晶體材料，屬于鈦鐵礦型結(jié)構(gòu)，呈無色或淡黃色。其晶體原料豐富，性能穩(wěn)定，易加工，能夠制備高質(zhì)量、大尺寸單晶，經(jīng)拋光的鉭酸鋰晶體可廣泛應(yīng)用于諧振器、表面濾波器、換能器等電子通訊器件的制造，是手機、衛(wèi)星通訊、航空航天等許多高端通訊領(lǐng)域不可或缺的功能材料。

（1）電光性能：鉭酸鋰的電光性能是其在光通信和光學(xué)計算等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)，由于鉭酸鋰是沒有中心對稱的晶體，因此表現(xiàn)出很強的線性電光（Pockels）效應(yīng)，在外加電場的作用下，其折射率會發(fā)生變化，從而可以有效的將電信號轉(zhuǎn)換為光信號的調(diào)制。

（2）光折變效應(yīng)：鉭酸鋰對光照非常敏感，即便是較弱的光也能引起明顯的光折變效應(yīng)。在光照射下，材料中的電子會被激發(fā)，從價帶躍遷到導(dǎo)帶，留下等量的空穴。自由電荷在電場的作用下會發(fā)生遷移，在材料內(nèi)部形成空間電荷分布，使材料內(nèi)部的電場發(fā)生變化，進而引起折射率的改變。光折變效應(yīng)通常是可逆的，當(dāng)光照停止后，折射率會部分或完全恢復(fù)至原樣。

（3）壓電效應(yīng)：由于鉭酸鋰屬于三方晶系，具有非中心對稱的晶體結(jié)構(gòu)，因此其正負電荷中心不重合，在受到外力作用而變形時，其內(nèi)部的正負電荷中心會發(fā)生相對位移，導(dǎo)致晶體表面產(chǎn)生電荷。

鉭酸鋰的晶體結(jié)構(gòu)（圖源：文獻1）

鉭酸鋰單晶薄膜

隨著5G通信、人工智能、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的快速發(fā)展，器件逐漸朝著微型化、高頻化、集成化方向發(fā)展，鉭酸鋰薄膜因具有優(yōu)異的電光轉(zhuǎn)換特性、溫度特性、導(dǎo)熱性并且可與硅兼容，因此被認為是后摩爾時代新器件發(fā)展迫切需求的新材料。目前常用的制備鉭酸鋰單晶薄膜的方法包括化學(xué)氣相沉積法、磁控濺射法、溶膠-凝膠法。

（1）化學(xué)氣相沉積法：化學(xué)氣相沉積法是利用有機金屬熱分解進行氣相外延生長的先進技術(shù)。反應(yīng)物通常會以氣態(tài)的形式進入反應(yīng)室，并在反應(yīng)室內(nèi)被激活，再與襯底表面發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，從而合成薄膜。使用化學(xué)氣相沉積法可以精確的控制生成物的化學(xué)組成，具有應(yīng)力小、質(zhì)量好、純度高、產(chǎn)量高、均勻性好等優(yōu)勢。

化學(xué)氣相沉積工藝流程示意圖（圖源：文獻2）

（2）磁控濺射法：磁控濺射法是近年來制備鉭酸鋰薄膜使用較多的方法。它主要是利用濺射粒子轟擊待濺射的靶材，使固體靶材表面原子從靶材表面被轟擊濺射出來，轟擊出來的靶材原子沉積到襯底上的過程稱為濺射鍍膜過程。使用磁控濺射法制備的鉭酸鋰薄膜具有致密性好、薄膜附著性強、應(yīng)力小的特點。

磁控濺射原理圖（圖源：文獻2）

（3）溶膠-凝膠法：溶膠-凝膠法是目前制備鉭酸鋰薄膜應(yīng)用最廣的方法，它是以乙醇鉭和醋酸鋰為原料，甲基乙二醇或乙二醇甲醚為溶劑，使用旋涂法來進行的。通過利用金屬醇氧基化合物或其他金屬鹽類溶入醇類或其它溶劑中，進行水解及縮合反應(yīng)從而形成凝膠，再經(jīng)處理而得所需的產(chǎn)品，如塊材、薄膜或者纖維。通過溶膠-凝膠法制備的鉭酸鋰薄膜樣品純度高、薄膜組成成分均勻、合成溫度低、可以制備大面積且厚度均勻的薄膜、能夠通過化學(xué)反應(yīng)進行微觀結(jié)構(gòu)的控制。

（4）離子注入鍵合剝離法：離子注入鍵合剝離技術(shù)主要是利用氫離子注入鉭酸鋰晶圓，在深度方向上呈現(xiàn)類高斯分布并形成損傷層,將注入晶圓與另一支撐晶圓鍵合,經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚砗笞⑷腚x子在損傷層處起泡,并從起泡層處完整裂開,形成由注入晶圓分離的單晶薄膜與襯底晶圓組成的復(fù)合薄膜材料。通過離子注入鍵合剝離法制備出的鉭酸鋰薄膜具有缺陷低、厚度可控、表面平整、生產(chǎn)效率高、可與其他半導(dǎo)體材料兼容等優(yōu)勢。

離子注入與晶圓鍵合剝離原理圖（圖源：文獻3）

主要應(yīng)用

1、聲表面波（SAW）濾波器

聲表面波濾波器是一種利用壓電晶體振蕩器材料的壓電效應(yīng)和聲表面波傳播的物理特性而制成的濾波專用器件，它具有傳輸損耗低、可靠性高、制作靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、頻率選擇特性優(yōu)異等優(yōu)點。其主要構(gòu)成包括傳輸線、壓電晶體和衰減器，當(dāng)信號經(jīng)過傳輸線到達壓電晶體表面時，會產(chǎn)生聲表面波，而不同頻率的聲表面波在傳播時的速度有所不同，通過合理地設(shè)計壓電晶體和叉指換能器的幾何形狀和傳輸參數(shù)以及反射器的存在，可以實現(xiàn)不同頻率的濾波效果。目前常見的用于制備濾波器的材料有石英、鉭酸鋰、鈮酸鋰。鉭酸鋰晶體能實現(xiàn)6%-7%的相對帶寬，溫度系數(shù)較高，X切——鉭酸鋰晶體具有零溫度切向，通過精確控制切向精度，可將零溫度系數(shù)點控制在室溫范圍內(nèi)，以便用于制作高頻大帶寬的濾波器。

橫向型SAW濾波器結(jié)構(gòu)示意圖（圖源：文獻4）

2、晶體振蕩器

晶體振蕩器是一種將直流電能轉(zhuǎn)換為具有一定頻率交流電能的能量轉(zhuǎn)換裝置，它主要利用壓電晶體的壓電效應(yīng)來產(chǎn)生穩(wěn)定的電振蕩。在晶片兩極外加電壓后，晶體會產(chǎn)生變形，從而會在金屬片上產(chǎn)生電壓。晶體振蕩器因具有頻率高度穩(wěn)定的交流信號而被廣泛應(yīng)用于通信電臺、GPS、衛(wèi)星通信、遙控移動設(shè)備、移動電話發(fā)射臺及高檔頻率計數(shù)器等。它通常使用可將電能和機械能相互轉(zhuǎn)化的晶體，以提供穩(wěn)定、精確的單頻振蕩。目前常用的晶體材料有石英半導(dǎo)體材料、鉭酸鋰晶片。

晶體振蕩電路（圖源：CSDN-卓晴）

3、熱釋電探測器

熱釋電探測器是一種利用熱釋電效應(yīng)來檢測溫度變化或紅外輻射的傳感器，它可以以非接觸的形式檢測出目標(biāo)的能量變化，從而產(chǎn)生可測量的電信號。其核心部件是熱釋電芯片，一種具有特殊性能的單晶材料，通常由帶反向電荷的單元組成，會存在晶軸并具有自發(fā)極化現(xiàn)象。熱釋電材料需要制備的非常薄，在垂直于晶軸方向的表面鍍上電極，其中上表面電極需鍍上一層吸收層才可以進行使用。當(dāng)紅外輻射到達吸收層時，熱釋電芯片會被加熱并產(chǎn)生表面電極；如果輻射中斷，將會產(chǎn)生反向極化電荷。由于這類電荷非常小，需要在被晶體內(nèi)部電阻中和前，使用極低噪聲、低漏導(dǎo)場效應(yīng)管或者是運算放大器將其轉(zhuǎn)化成電壓信號。熱釋電探測器具有探測率高、工作頻率寬、成本低、結(jié)構(gòu)簡單及響應(yīng)速度快等優(yōu)點。其探測單元包括陶瓷、單晶、薄膜。陶瓷主要使用鉭鈮酸鉀、鋯鈦酸鉛；單晶材料一般采用鈮酸鋰、鉭酸鋰；常用的薄膜有鉭酸鋰薄膜、鋯鈦酸鉛薄膜。鉭酸鋰晶體因具有良好的熱釋電系數(shù)、居里點和介電常數(shù)而在熱釋電探測器中使用較多。

熱釋電效應(yīng)原理圖（圖源：文獻5）

小結(jié)

鉭酸鋰因熱釋電系數(shù)大、居里溫度高、介電損耗因子小、單位體積熱熔低、相對介電常數(shù)小、性能穩(wěn)定等特點，在5G通信、光子芯片、量子信息等領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景。根據(jù)新思界產(chǎn)業(yè)研究中心的報告，2022年全球鉭酸鋰晶體市場規(guī)模達到15.7億人民幣，預(yù)計在未來將會持續(xù)增長。作為目前國產(chǎn)化率較低的新一代通信材料，鉭酸鋰的國產(chǎn)替代空間非常大，未來對于鉭酸鋰的需求將會持續(xù)上升，市場前景非常廣。

參考文獻：

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