钽酸锂的应用

概述^【1】

钽酸锂最广泛的应用是制作声表面波滤波器，其突出的优点是延迟时间温度系数低，在-20~ 80 °C范围内仅有18 ppm,器件的热稳定性好。然而，  LT品体自身具有强烈的热释电效应，在器件制备过程中温度的变化会引起材料表面的放电现象。这种热释电效应可能损坏衬底图案，甚至毁坏衬底材料。因此，国际上兴起了利用化学还原方法制备LT晶片的研究，通过大幅度提高晶片的电导率，  可以降低甚至消除热释电效应，有效的解决了，上述难题。

经过还原处理，可见光波段的吸收变得非常强，晶片的颜色因而从无色透明变成灰色、黑色甚至几乎不透明，因此称之为黑片  (Black LT wafer,  简称BLT)。而其声表面波方面的性质并未受到影响，跟常规未处理的晶片相同。因此，钽酸锂黑片已经成为高性能SAW器件最重要的衬底材料。

目前工业应用的主要是同成分钽酸锂(简称CLT)晶体，其锂钽摩尔比([Li]/[Ta])为48.75:51.25.由于CLT晶体中存在锂空位和反位钽等本征缺陷，职重影响了晶体的性能，例如娇顽场较高(矫顽场值: CLT 22kV/mm [106], SLT 1.7kV/mm [107])，抗光损伤阈值相对较低等。随着LT晶体中[Li]/[Ta]不断增加，其物理性能也有不同程度的提高，有利于改进各种功能器件的性能，使其在激光电视、激光测距、雷达、红外军事对抗、医疗及大气环境监测等诸多重要领域得到应用，而且很有可能开拓新的应用领域。

因此，化学计量比钽酸锂( Stoichiometric LiTaO3,  简称SLT)晶体成为功能晶体材料研究的热点。同生长近化学计量比铌酸锂晶体相似，目 前生长SLT晶体的方法主要有:传统提拉法、双坩埚连续加料法[109]、气相输运平衡技术(VTE)[110]和K2O助熔剂提拉法等。采用直拉法从富锂熔体中生长近化学计量比LT，组分变化较大，尤其是沿生长方向。双坩埚加料法可以获得组分均匀的晶体，光学质量高，但设备要求较高，工艺复杂。VTE技术只能处理厚度小于1 mm的样品。利用K2O助熔剂提拉生长SLT晶体，晶体组分中不可避免会引入K*离子，对品体性能造成影响。

钽酸锂的双折射率较低，因此，在这一晶体中不可能实现iF.常的双折射相位匹配。然而，周期极化钽酸锂( Periodically Poled LiTaO3, PPLT) 光学超晶格材料越来越受到人们的关注，利用这种材料可以实现准相位匹配，拓展了其在非线性光学领域的应用。PPLN、PPLT和PPKTP都是常用的光学超晶格材料。同成分铌酸锂抗光损伤阈值低，反转电压高，掺镁铌酸锂可以解决这些问题。

但是生长掺杂均匀的光学级掺镁铌酸锂晶体却非常困难。晶体易开裂、掺杂浓度分布不均匀、多组份配比造成晶体生长组份易变化、掺杂元素的高熔点造成晶体微散射等很多问题限制了品体质量。国内的镁掺杂铌酸锂晶体质量不稳定,品体缺陷多,一般可用于制作光电开关，无法进行高质量周期极化材料的制备。国外公司也只有部分掺镁铌酸锂品体可以用来制备高品质光学超品格。

与PPLN、PPMgLN和PPKTP相比，PPLT拥有高的抗激光损伤阈值和小的光弹效应,容易生长组分均匀且光学质量高的品体，并且具有更高的UV透过率，使其可以位于UV范围内以二次谐波或和频实现不同的准相位匹配过程。例如，在PPLT中已经实现340 nm和325 nm的二次谐波发生(SHG)和;通过在多重周期的PPLT中的Nd: YVO4 激光辐射两阶段三次谐波发生，获得在355 nm处的和频。

最近，利用准周期极化的LT (APPLT)和一台Nd: YVO4 激光器，产生1064 nm和1342 nm的激光，三种非线性过程(两种SHG和一~种SFG)都获得准相位匹配,同时产生了三种波长的光，分别位于绿色(532 nm)、黄色(593nm)和红色(671 nm)光谱区，在170°C温度之上没有观察到光折变损伤。

性质^{【2】【3】}

钽酸锂单晶  主产宁夏石嘴山市、四川重庆市、河南焦作市。按单晶生长方向有[11．03X轴和[Oo．1]z轴两类；直径均为40～110毫米，长度均不小于50毫米。牌号由字母、数字和符号组成，“LT”表示钽酸锂单晶，“Y”表示压电器件用；数字表示单晶直径(毫米)，用晶体学符号表示单晶生长方向。如：LTY45[11．03表示生长方向为(11．0；X轴的直径45毫米的压电用钽酸锂单晶撵，LTY50[oo．1]表示生长方向为[oo．13Z轴的直径50毫米的压电用钽酸锂单晶。

以高纯五氧化二钽和高纯碳酸锂为原料，经有坩埚提拉法制得。密度7．3克／厘米³，莫氏硬度5．5～6，0，熔点1923K，居里温度580～650℃，在居里温度以下属三方晶系，具有较好的压电、电光和热电性能，电光系数和机电耦合系数较大，在一定方位

上频率常数的温度系数为零。主要用作声表面波器件的基片等；制作优良的光学器件等。

按国家有色金属行业标准(YS／T42--92)，主要质量指标：呈无色、淡黄色、淡绿色或浅棕色，透明度好，无裂纹和过冷环，内部无云层、气泡和散射颗粒；相邻直径突变度和锥度均不大于5％，弯曲度不大于2毫米，轴向偏差不大于5度，直径允许偏差不大于±2毫米；内部缺陷引起的定向偏差不大于1 5分；单畴化完全；弹性、压电、介电常数、机电耦合系数及声表面波性能指标符合标准规定。包装确保单晶不伤损，外包装印刷“防潮”、“轻放”标志。储运防潮和防剧烈震动。

应用^【4】

钽酸锂晶体主要应用于激光领域，如全息照相及光存储。20世纪70年代后期，H本等国家用钽酸锂晶体制作电视机中频滤波器使其用途得到广泛的发展。钽酸锂晶体制取的工艺过程包括多晶体的合成、拉晶、退火与极化三大重要环节。

其中多晶体的合成包括高纯Ta205与光谱纯碳酸锂的配料、混合、压块和烧结，拉晶过程中控制温度梯度是晶体生长的第二个环节，适宜而稳定的热场是晶体生长的重要物理条件。此外，晶体因在非等晶炉中生长，受到热冲击引起应力，因此应在退火炉内退火，消除应力，防止开裂。

影响晶体质量的因素有：原料及配比、籽晶质量、温度梯度、拉速与转速、坩埚的形状等。另外，生产环境、器皿、炉膛及籽晶夹头和操作等对物料的污染，提拉设备的振动，温度的测量精度和功率控制等，都会对晶体的质量产生直接的影响。

参考文献

[1]颜涛. 高品质铌酸锂、钽酸锂晶体的生长、结构与性质研究[D].山东大学,2011.

[2]《电子工业技术词典》编辑委员会编,电子工业技术词典  电子陶瓷与压电、铁电晶体,国防工业出版社,1977年06月第1版,第39页

[3]本书编委会,电子工业生产技术手册（2）  电子元件卷,国防工业出版社,1991年09月第1版,第485页

[4]中国技术成果大全编辑部,中国技术成果大全 第7册,第398页