隨著物聯網、人工智能、大數據技術的快速發展，鉭酸鋰（LiTaO₃）因具有壓電、聲光、電光等一眾優良性能，而被廣泛應用于數字信號處理、5G通信、制導、紅外探測器等領域，其單晶薄膜更是被認為是后摩爾時代新器件發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應用。

圖源：鑫科匯

鉭酸鋰是什么？

鉭酸鋰是一種性能優良的多功能晶體材料，屬于鈦鐵礦型結構，呈無色或淡黃色。其晶體原料豐富，性能穩定，易加工，能夠制備高質量、大尺寸單晶，經拋光的鉭酸鋰晶體可廣泛應用于諧振器、表面濾波器、換能器等電子通訊器件的制造，是手機、衛星通訊、航空航天等許多高端通訊領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計算等領域的重要基礎，由于鉭酸鋰是沒有中心對稱的晶體，因此表現出很強的線性電光（Pockels）效應，在外加電場的作用下，其折射率會發生變化，從而可以有效的將電信號轉換為光信號的調制。

（2）光折變效應：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。在光照射下，材料中的電子會被激發，從價帶躍遷到導帶，留下等量的空穴。自由電荷在電場的作用下會發生遷移，在材料內部形成空間電荷分布，使材料內部的電場發生變化，進而引起折射率的改變。光折變效應通常是可逆的，當光照停止后，折射率會部分或完全恢復至原樣。

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

鉭酸鋰的晶體結構（圖源：文獻1）

鉭酸鋰單晶薄膜

隨著5G通信、人工智能、物聯網技術的快速發展，器件逐漸朝著微型化、高頻化、集成化方向發展，鉭酸鋰薄膜因具有優異的電光轉換特性、溫度特性、導熱性并且可與硅兼容，因此被認為是后摩爾時代新器件發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氣相沉積法、磁控濺射法、溶膠-凝膠法。

（1）化學氣相沉積法：化學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。反應物通常會以氣態的形式進入反應室，并在反應室內被激活，再與襯底表面發生化學反應，從而合成薄膜。使用化學氣相沉積法可以精確的控制生成物的化學組成，具有應力小、質量好、純度高、產量高、均勻性好等優勢。

化學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從而形成凝膠，再經處理而得所需的產品，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、能夠通過化學反應進行微觀結構的控制。

（4）離子注入鍵合剝離法：離子注入鍵合剝離技術主要是利用氫離子注入鉭酸鋰晶圓，在深度方向上呈現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,經過適當的熱處理后注入離子在損傷層處起泡,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、生產效率高、可與其他半導體材料兼容等優勢。

離子注入與晶圓鍵合剝離原理圖（圖源：文獻3）

主要應用

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/數字兼容、頻率選擇特性優異等優點。其主要構成包括傳輸線、壓電晶體和衰減器，當信號經過傳輸線到達壓電晶體表面時，會產生聲表面波，而不同頻率的聲表面波在傳播時的速度有所不同，通過合理地設計壓電晶體和叉指換能器的幾何形狀和傳輸參數以及反射器的存在，可以實現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6%-7%的相對帶寬，溫度系數較高，X切——鉭酸鋰晶體具有零溫度切向，通過精確控制切向精度，可將零溫度系數點控制在室溫范圍內，以便用于制作高頻大帶寬的濾波器。

橫向型SAW濾波器結構示意圖（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換為具有一定頻率交流電能的能量轉換裝置，它主要利用壓電晶體的壓電效應來產生穩定的電振蕩。在晶片兩極外加電壓后，晶體會產生變形，從而會在金屬片上產生電壓。晶體振蕩器因具有頻率高度穩定的交流信號而被廣泛應用于通信電臺、GPS、衛星通信、遙控移動設備、移動電話發射臺及高檔頻率計數器等。它通常使用可將電能和機械能相互轉化的晶體，以提供穩定、精確的單頻振蕩。目前常用的晶體材料有石英半導體材料、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的能量變化，從而產生可測量的電信號。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極化現象。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。當紅外輻射到達吸收層時，熱釋電芯片會被加熱并產生表面電極；如果輻射中斷，將會產生反向極化電荷。由于這類電荷非常小，需要在被晶體內部電阻中和前，使用極低噪聲、低漏導場效應管或者是運算放大器將其轉化成電壓信號。熱釋電探測器具有探測率高、工作頻率寬、成本低、結構簡單及響應速度快等優點。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、居里點和介電常數而在熱釋電探測器中使用較多。

熱釋電效應原理圖（圖源：文獻5）

小結

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

參考文獻：

1、張運武.鈮/鉭酸鋰單晶熱釋電性能研究與應用[D].濟南大學.

2、孫斌瑋.鉭酸鋰薄膜的制備及其電學光學特性研究[D].電子科技大學.

3、丁雨憧,何杰,陳哲明,等.硅基鉭酸鋰壓電單晶復合薄膜材料及應用[J].壓電與聲光.

4、孔輝,張忠偉,錢煜,等.鉭酸鋰晶體及其應用分析[J].壓電與聲光.

5、曾德龍.基于鉭酸鋰納米棒的柔性熱釋電復合敏感薄膜制備與研究[D].電子科技大學.

粉體圈 Alice