鈮酸鋰

鈮酸鋰（化學式：LiNbO₃）是一種偏鈮酸鹽。其單晶為光波導，行動電話，壓電傳感器，光學調製器和各種其它線性和非線性光學應用的重要材料。

鈮酸鋰
識別
CAS號	12031-63-9  Y
PubChem	159404
ChemSpider	10605804
SMILES	[Li+].[O-][Nb](=O)=O
InChI	1/Li.Nb.3O/q+1;;;;-1/rLi.NbO3/c;2-1(3)4/q+1;-1
InChIKey	GQYHUHYESMUTHG-YHKBGIKBAK
性質
化學式	LiNbO3
莫耳質量	147.846 g·mol⁻¹
外觀	無色固體（或綠色）[1]
密度	4.65 g/cm3 [2]
熔點	1257 °C[2]
溶解性（水）	無
能隙	4 eV
折光度n D	no 2.30, ne 2.21[3]
結構
晶體結構	三方晶系
空間群	R3c
危險性
歐盟編號	未列出
致死量或濃度：
LD50（中位劑量）	8000 mg/kg （大鼠經口）[4]
若非註明，所有數據均出自標準狀態（25 ℃，100 kPa）下。

性質

鈮酸鋰是一種不溶於水的無色固體。它具有一個缺乏反演對稱性的三方晶系，並顯示出鐵電性、泡克耳斯效應、壓電效應和光彈性。鈮酸鋰具有負的單軸雙折射，這略微取決於溫度以及晶體的化學計量比。它可以透過波長為350至5200納米之間的波。

鈮酸鋰可通過摻雜氧化鎂在它的光學損傷閾上,來增強它對光損傷的抗性（這種損傷常稱為光反射損傷）。其他可用的摻雜物還有鐵、鋅、鉿、銅、釓、鉺、釔、錳和硼。

生長

鈮酸鋰的單晶可以使用柴可拉斯基法製作。^[5]

一塊Z向切割的鈮酸鋰單晶薄片

在晶體生長完之後，它會被在不同方向上切成薄片。常見的取向有Z向，X向，Y向，以及沿上述幾個軸旋轉一定角度切割。^[6]

納米粒子

鈮酸鋰和五氧化二鈮的納米顆粒可在低溫下製備。^[7]完整的實驗報告表明NbCl₅被LiH還原，隨後原位自發氧化成低價鈮納米氧化物。這些鈮氧化物暴露於空氣氣氛從而產生純的Nb₂O₅。最後，穩定的Nb₂O₅在過量的LiH的受控水解中被轉化為鈮酸鋰LiNbO₃納米顆粒。^[8] 直徑約為10nm的鈮酸鋰球形納米顆粒可以通過將孔狀二氧化矽基質浸漬於LiNO₃和 NH₄NbO(C₂O₄)₂的混合水溶液中，接著在IR爐中加熱10分鐘來製備。^[9]

應用

鈮酸鋰被廣泛使用在電信市場，比如在行動電話和光調製器（英語：Optical modulator）中。它是製造表面聲波設備的可選材料。對於某些用途，它可以被鉭酸鋰（LiTaO
3）所取代。其他用途是在雷射倍頻（英語：Second-harmonic generation）、非線性光學、泡克耳斯盒、光學參量振盪器（英語：Optical parametric oscillator）、Q開關雷射器以及其它聲光效應器件、千兆赫頻率光開關等。它是用於製造光波導的優異材料。

它也被用於光學的空間低通（抗混疊）濾波器的製作。

周期性極化鈮酸鋰（PPLN）

鈮酸鋰晶體結構，Nb與O形成八面體型配位

周期性極化鈮酸鋰（PPLN）是一種以磁疇為單位設計製造的鈮酸鋰晶體，主要用於實現非線性光學的准相位匹配。鐵電體疇交替指向+c和-c方向，周期通常為5至35µm。該範圍中周期較短的鐵電體被用於二次諧波生成（英語：Second-harmonic generation），而周期較長的則被用於光參量振盪。周期性極化（英語：Periodic poling）可以通過使用周期性結構的電極進行電極化來實現。晶體受控加熱可以用於在介質中微調相位匹配，這是因為分散體隨溫度變化而微小變化。

周期性極化使用鈮酸鋰的非線性張量最大值，d₃₃= 27 pm/V。准相位匹配給出的最大效率為完整的d₃₃的2/π（64%），約為17 pm/V。

用於周期性極化（英語：Periodic poling）的其它材料是寬帶隙無機晶體狀的KTP（可以產生周期性極化KTP，即PPKTP）、鉭酸鋰，以及一些有機材料。

周期性極化技術也可以用來形成表面的納米結構（英語：Nanostructure）。^[10][11]

然而，由於它的低光反射破壞閾值，PPLN只在非常低的功率水平發現有限的應用。不過摻雜氧化鎂的鈮酸鋰是通過周期性極化的方法製造的。因此，周期性極化的摻雜氧化鎂的鈮酸鋰（PPMgOLN）將應用擴大到中等功率水平。

塞耳邁耶爾方程

關於非尋常波折射率的塞耳邁耶爾方程被用於找到晶體的摻雜周期和准位相匹配的大致溫度Jundt^[12]的結論是

${\displaystyle n_{e}^{2}=5.35583+4.629\times 10^{-7}f+{0.100473+3.862\times 10^{-8}f \over \lambda ^{2}-(0.20692-0.89\times 10^{-8}f)^{2}}+{100+2.657\times 10^{-5}f \over \lambda ^{2}-(11.34927)^{2}}-1.5334\times 10^{-2}\lambda ^{2}}$

這一公式在溫度20~250°C，波長0.4~5微米範圍內適用，對於更長的波長，有^[13]

${\displaystyle n_{e}^{2}=5.39121+4.968\times 10^{-7}f+{0.100473+3.862\times 10^{-8}f \over \lambda ^{2}-(0.20692-0.89\times 10^{-8}f)^{2}}+{100+2.657\times 10^{-5}f \over \lambda ^{2}-(11.34927)^{2}}-(1.544\times 10^{-2}+9.62119\times 10^{-10}\lambda )\lambda ^{2}}$

其適用範圍是T=25~180°C波長λ在2.8到4.8微米之間。

上述方程中f=（T-24.5）（T+570.82），λ單位是微米，T單位是攝氏度。

一個更加綜合且適合各種摻雜MgO比例的LiNbO3的非尋常波折射率公式是:

${\displaystyle n^{2}=a_{1}+b_{1}f+{a_{2}+b_{2}f \over \lambda ^{2}-(a_{3}+b_{3}f)^{2}}+{a_{4}+b_{4}f \over \lambda ^{2}-a_{5}^{2}}-a_{6}\lambda ^{2}}$,

其中：

因素	5%MgO摻雜（CLN）		1%MgO摻雜（SLN）
	ne	no	ne
a1	5.756	5.653	5.078
a2	0.0983	0.1185	0.0964
a3	0.2020	0.2091	0.2065
a4	189.32	89.61	61.16
a5	12.52	10.85	10.55
a6	1.32×10-2	1.97×10-2	1.59×10-2
b1	2.860×10-6	7.941×10-7	4.677×10-7
b2	4.700×10-8	3.134×10-8	7.822×10-8
b3	6.113×10-8	-4.641×10-9	-2.653×10-8
b4	1.516×10-4	-2.188×10-6	1.096×10-4

這些數據僅對符合對應化學計量比的鈮酸鋰適用。^[14]

參見

• 晶體
• 晶體結構
• 微晶
• 結晶
• 晶種
• 單晶