Niobato de litio

Compuesto químico

El niobato de litio ( Li Nb O ₃ ) es una sal sintética compuesta de niobio , litio y oxígeno . Sus monocristales son un material importante para guías de ondas ópticas, teléfonos móviles, sensores piezoeléctricos, moduladores ópticos y otras aplicaciones ópticas lineales y no lineales. ^[6] El niobato de litio a veces se conoce con el nombre comercial linobato . ^[7]

Propiedades

El niobato de litio es un sólido incoloro e insoluble en agua. Tiene un sistema cristalino trigonal , que carece de simetría de inversión y presenta ferroelectricidad , efecto Pockels , efecto piezoeléctrico , fotoelasticidad y polarizabilidad óptica no lineal . El niobato de litio tiene birrefringencia uniaxial negativa que depende ligeramente de la estequiometría del cristal y de la temperatura. Es transparente para longitudes de onda entre 350 y 5200 nanómetros .

El niobato de litio se puede dopar con óxido de magnesio , lo que aumenta su resistencia al daño óptico (también conocido como daño fotorrefractivo). Otros dopantes disponibles son el hierro , el zinc , el hafnio , el cobre , el gadolinio , el erbio , el itrio , el manganeso y el boro .

Crecimiento

Una oblea de niobato de litio monocristalina cortada en Z

Se pueden cultivar monocristales de niobato de litio utilizando el proceso Czochralski . ^[8]

Una vez que se ha formado un cristal, se lo corta en láminas de diferentes orientaciones. Las orientaciones más comunes son corte en Z, corte en X, corte en Y y cortes con ángulos rotados de los ejes anteriores. ^[9]

Películas delgadas

El niobato de litio de película fina (por ejemplo, para guías de ondas ópticas ) se puede transferir o cultivar en zafiro y otros sustratos, utilizando el proceso de corte inteligente (corte de iones) ^{[10] [11]} o el proceso MOCVD . ^[12] La tecnología se conoce como niobato de litio sobre aislante (LNOI). ^[13]

Nanopartículas

Las nanopartículas de niobato de litio y pentóxido de niobio se pueden producir a baja temperatura. ^[14] El protocolo completo implica una reducción inducida por LiH de NbCl ₅ seguida de una oxidación espontánea in situ en nanoóxidos de niobio de baja valencia. Estos óxidos de niobio se exponen a una atmósfera de aire dando como resultado Nb ₂ O ₅ puro . Finalmente, el Nb ₂ O ₅ estable se convierte en nanopartículas de niobato de litio LiNbO ₃ durante la hidrólisis controlada del exceso de LiH. ^[15] Las nanopartículas esféricas de niobato de litio con un diámetro de aproximadamente 10 nm se pueden preparar impregnando una matriz de sílice mesoporosa con una mezcla de una solución acuosa de LiNO ₃ y NH ₄ NbO(C ₂ O ₄ ) ₂ seguido de 10 min de calentamiento en un horno infrarrojo. ^[16]

Aplicaciones

El niobato de litio se utiliza ampliamente en el mercado de las telecomunicaciones, por ejemplo, en teléfonos móviles y moduladores ópticos . ^[17] Debido a su gran acoplamiento electromecánico, es el material de elección para dispositivos de ondas acústicas de superficie . Para algunos usos puede ser reemplazado por tantalato de litio , Li Ta O ₃ . Otros usos son en duplicación de frecuencia láser , óptica no lineal , celdas de Pockels , osciladores paramétricos ópticos , dispositivos de conmutación Q para láseres, otros dispositivos acústico-ópticos , conmutadores ópticos para frecuencias de gigahercios, etc. Es un material excelente para la fabricación de guías de ondas ópticas . También se utiliza en la fabricación de filtros ópticos espaciales de paso bajo ( anti-aliasing ).

En los últimos años, el niobato de litio ha encontrado aplicaciones como una especie de pinzas electrostáticas, un enfoque conocido como pinzas optoelectrónicas, ya que el efecto requiere la excitación de la luz para que se produzca. ^{[18] [19]} Este efecto permite una manipulación fina de partículas a escala micrométrica con alta flexibilidad, ya que la acción de pinzar está restringida al área iluminada. El efecto se basa en los campos eléctricos muy altos generados durante la exposición a la luz (1–100 kV/cm) dentro del punto iluminado. Estos campos intensos también están encontrando aplicaciones en biofísica y biotecnología, ya que pueden influir en los organismos vivos de diversas formas. ^[20] Por ejemplo, se ha demostrado que el niobato de litio dopado con hierro excitado con luz visible produce muerte celular en cultivos de células tumorales. ^[21]

Niobato de litio polarizado periódicamente (PPLN)

El niobato de litio de polarización periódica ( PPLN ) es un cristal de niobato de litio diseñado por dominios, que se utiliza principalmente para lograr una coincidencia de fase cuasi en óptica no lineal . Los dominios ferroeléctricos apuntan alternativamente a la dirección +c y −c , con un período de típicamente entre 5 y 35  μm . Los períodos más cortos de este rango se utilizan para la generación de segundos armónicos , mientras que los más largos para la oscilación paramétrica óptica . La polarización periódica se puede lograr mediante polarización eléctrica con un electrodo estructurado periódicamente. El calentamiento controlado del cristal se puede utilizar para ajustar con precisión la coincidencia de fase en el medio debido a una ligera variación de la dispersión con la temperatura.

La polarización periódica utiliza el valor más grande del tensor no lineal del niobato de litio, d ₃₃ = 27 pm/V. La coincidencia de fase cuasi proporciona eficiencias máximas que son 2/π (64 %) del d ₃₃ completo , aproximadamente 17 pm/V. ^[22]

Otros materiales utilizados para la polarización periódica son cristales inorgánicos de banda ancha como KTP (lo que da como resultado KTP y PPKTP polarizados periódicamente ), tantalato de litio y algunos materiales orgánicos.

La técnica de polarización periódica también se puede utilizar para formar nanoestructuras superficiales . ^{[23] [24]}

Sin embargo, debido a su bajo umbral de daño fotorrefractivo, la PPLN solo encuentra aplicaciones limitadas, es decir, a niveles de potencia muy bajos. El niobato de litio dopado con MgO se fabrica mediante el método de polarización periódica. Por lo tanto, el niobato de litio dopado con MgO (PPMgOLN) con polarización periódica amplía la aplicación a un nivel de potencia medio.

Ecuaciones de Sellmeier

Las ecuaciones de Sellmeier para el índice extraordinario se utilizan para encontrar el período de polarización y la temperatura aproximada para la coincidencia de fase cuasi. Jundt ^[25] proporciona

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

válido de 20 a 250 °C para longitudes de onda de 0,4 a 5  micrómetros , mientras que para longitudes de onda más largas, ^[26]

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

lo cual es válido para T = 25 a 180 °C, para longitudes de onda λ entre 2,8 y 4,8 micrómetros.

En estas ecuaciones f = ( T − 24,5)( T + 570,82), λ está en micrómetros y T está en °C.

De manera más general, para el índice ordinario y extraordinario de LiNbO ₃ dopado con MgO :

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

con:

para LiNbO ₃ congruente (CLN) y LiNbO ₃ estequiométrico (SLN). ^[27]

Véase también

• Cristal
• Estructura cristalina
• Cristalita
• Cristalización y aspectos de ingeniería
• Cristal semilla
• Cristal único
• Crecimiento del pedestal calentado por láser
• Micro-tirón hacia abajo
• Niobato de níquel

Referencias

1. Haynes, pág. 4.70
2. Zanatta, AR (agosto de 2022). "La banda prohibida óptica del niobato de litio (LiNbO3) y su dependencia con la temperatura". Results Phys . 39 : 105736–3pp. doi : 10.1016/j.rinp.2022.105736 . S2CID  249688492.
3. Haynes, pág. 10.250
4. Wilkinson, AP; Cheetham, AK; Jarman, RH (1993). "La estructura defectuosa del niobato de litio que se funde de manera congruente". Journal of Applied Physics . 74 (5): 3080–3083. Bibcode :1993JAP....74.3080W. doi :10.1063/1.354572.
5. "ChemIDplus – 12031-63-9 – PSVBHJWAIYBPRO-UHFFFAOYSA-N – Niobato de litio – Búsqueda de estructuras similares, sinónimos, fórmulas, enlaces de recursos y otra información química".
6. Weis, RS; Gaylord, TK (1985). "Niobato de litio: resumen de propiedades físicas y estructura cristalina". Applied Physics A: Materials Science & Processing . 37 (4): 191–203. Bibcode :1985ApPhA..37..191W. doi :10.1007/BF00614817. S2CID  97851423.
7. Staebler, DL; Amodei, JJ (1972). "Hologramas fijados térmicamente en LiNbO ₃ ". Ferroelectrics . 3 (1): 107–113. Bibcode :1972Fer.....3..107S. doi :10.1080/00150197208235297. S2CID  51674085., visto en Yeh, Pochi; Gu, Claire, eds. (1995). Documentos de referencia sobre óptica no lineal fotorrefractiva . World Scientific. pág. 182. ISBN 9789814502979.
8. Volk, Tatyana; Wohlecke, Manfred (2008). Niobato de litio: defectos, fotorrefracción y conmutación ferroeléctrica . Springer. págs. 1–9. doi :10.1007/978-3-540-70766-0. ISBN . 978-3-540-70765-3.
9. Wong, KK (2002). Propiedades del niobato de litio . Londres, Reino Unido: INSPEC. p. 8. ISBN 0-85296-799-3.
10. Levy, M.; Osgood, RM; Liu, R.; Cross, LE; Cargill, GS; Kumar, A.; Bakhru, H. (1998-10-19). "Fabricación de películas de niobato de litio monocristalino mediante corte de iones de cristal". Applied Physics Letters . 73 (16): 2293–2295. Bibcode :1998ApPhL..73.2293L. doi :10.1063/1.121801. ISSN  0003-6951.
11. Lu, H.; Sadani, B.; Courjal, N.; Ulliac, G.; Smith, N.; Stenger, V.; Collet, M.; Baida, FI; Bernal, MP (2012). "Guía de ondas de alambre de cristal fotónico de niobato de litio electroóptico mejorado en una película delgada de corte inteligente". Optics Express . 20 (3): 2974–2981. doi : 10.1364/oe.20.002974 . PMID  22330535 . Consultado el 8 de julio de 2022 .
12. Feigelson, RS (1996). "Crecimiento epitaxial de películas delgadas de niobato de litio mediante el método MOCVD de fuente sólida". Journal of Crystal Growth . 166 (1–4): 1–16. Bibcode :1996JCrGr.166....1F. doi : 10.1016/0022-0248(95)00570-6 .
13. Hu, Hui; Yang, Jin; Gui, Li; Sohler, Wolfgang (2012). "Niobato de litio sobre aislante (LNOI): estado y perspectivas" (PDF) . Fotónica de silicio y circuitos integrados fotónicos III . Vol. 8431. págs. 84311D. doi :10.1117/12.922401. S2CID  120452519.
14. Grange, R.; Choi, J. W.; Hsieh, CL; Pu, Y.; Magrez, A.; Smajda, R.; Forro, L.; Psaltis, D. (2009). "Nanocables de niobato de litio: síntesis, propiedades ópticas y manipulación". Applied Physics Letters . 95 (14): 143105. Bibcode :2009ApPhL..95n3105G. doi :10.1063/1.3236777. Archivado desde el original el 14 de mayo de 2016.
15. Aufray M, Menuel S, Fort Y, Eschbach J, Rouxel D, Vincent B (2009). "Nueva síntesis de óxidos de niobio y partículas de niobato de litio de tamaño nanométrico y su caracterización mediante análisis XPS". Revista de nanociencia y nanotecnología . 9 (8): 4780–4789. CiteSeerX 10.1.1.465.1919 . doi :10.1166/jnn.2009.1087. PMID  19928149. 
16. Grigas, A; Kaskel, S (2011). "Síntesis de nanopartículas de LiNbO3 en una matriz mesoporosa". Beilstein Journal of Nanotechnology . 2 : 28–33. doi :10.3762/bjnano.2.3. PMC 3045940 . PMID  21977412. 
17. Toney, James (2015). Fotónica de niobato de litio . Artech House. ISBN 978-1-60807-923-0.
18. Carrascosa, M.; García-Cabañes, A.; Jubera, M.; Ramiro, JB; Agulló-López, F. (2015). "LiNbO ₃ : Un sustrato fotovoltaico para la manipulación masiva paralela y el modelado de nano-objetos". Applied Physics Reviews . 2 (4). AIP Publishing: 040605. Bibcode :2015ApPRv...2d0605C. doi :10.1063/1.4929374. hdl : 10486/669584 . ISSN  1931-9401.
19. García-Cabañes, Ángel; Blázquez-Castro, Alfonso; Arizmendi, Luis; Agulló-López, Fernando; Carrascosa, Mercedes (30 de enero de 2018). "Logros recientes en pinzas optoelectrónicas fotovoltaicas basadas en niobato de litio". Cristales . 8 (2). MDPI AG: 65. doi : 10.3390/cryst8020065 . hdl : 10486/681685 . ISSN  2073-4352.
20. Blázquez-Castro, A.; García-Cabañes, A.; Carrascosa, M. (2018). "Aplicaciones biológicas de materiales ferroeléctricos". Applied Physics Reviews . 5 (4). AIP Publishing: 041101. arXiv : 2109.00429 . Bibcode :2018ApPRv...5d1101B. doi :10.1063/1.5044472. ISSN  1931-9401. S2CID  139511670.
21. Blázquez-Castro, Alfonso; Stockert, Juan C.; López-Arias, Begoña; Juarranz, Angeles; Agulló-López, Fernando; García-Cabañes, Angel; Carrascosa, Mercedes (2011). "Muerte de células tumorales inducida por el efecto fotovoltaico masivo de LiNbO3:Fe bajo irradiación de luz visible". Ciencias fotoquímicas y fotobiológicas . 10 (6). Springer Science and Business Media LLC: 956–963. doi : 10.1039/c0pp00336k . ISSN  1474-905X. PMID  21336376.
22. Meyn, J.-P.; Laue, C.; Knappe, R.; Wallenstein, R.; Fejer, MM (2001). "Fabricación de tantalato de litio con polarización periódica para generación de rayos ultravioleta con láseres de diodo". Applied Physics B . 73 (2): 111–114. Bibcode :2001ApPhB..73..111M. doi :10.1007/s003400100623. S2CID  119763435.
23. Grilli, Simonetta; Ferraro, Pietro; De Natale, Paolo; Tiribilli, Bruno; Vassalli, Massimo (2005). "Estructuras periódicas superficiales a escala nanométrica en niobato de litio congruente mediante patrones de inversión de dominios y grabado diferencial". Applied Physics Letters . 87 (23): 233106. Bibcode :2005ApPhL..87w3106G. doi : 10.1063/1.2137877 .
24. Ferraro, P.; Grilli, S. (2006). "Modulación del espesor del patrón de resistencia para controlar el tamaño y la profundidad de los dominios invertidos submicrónicos en niobato de litio". Applied Physics Letters . 89 (13): 133111. Bibcode :2006ApPhL..89m3111F. doi :10.1063/1.2357928.
25. Jundt, Dieter H. (1997). "Ecuación de Sellmeier dependiente de la temperatura para el índice de refracción en niobato de litio congruente". Optics Letters . 22 (20): 1553–1555. Bibcode :1997OptL...22.1553J. doi :10.1364/OL.22.001553. PMID  18188296. ${\displaystyle n_{e}}$
26. Deng, LH; Gao, XM; Cao, ZS; Chen, WD; Yuan, YQ; Zhang, WJ; Gong, ZB (2006). "Mejora de la ecuación de Sellmeier para cristales de LiNbO ₃ con polarización periódica mediante generación de frecuencia diferencial en el infrarrojo medio". Optics Communications . 268 (1): 110–114. Bibcode :2006OptCo.268..110D. doi :10.1016/j.optcom.2006.06.082.
27. Gayer, O.; Sacks, Z.; Galun, E.; Arie, A. (2008). "Ecuaciones de índice de refracción dependientes de la temperatura y la longitud de onda para LiNbO ₃ congruente y estequiométrico dopado con MgO ". Appl. Phys. B . 91 (2): 343–348. Bibcode :2008ApPhB..91..343G. doi :10.1007/s00340-008-2998-2. S2CID  195290628.

Fuentes citadas

• Haynes, William M., ed. (2016). Manual de química y física del CRC (97.ª edición). CRC Press . ISBN 9781498754293.

Enlaces externos

• Ficha técnica del Inrad sobre el niobato de litio