مركبات الليثيوم في صناعة أشباه الموصلات

مقدمة

اكتسبت مركبات الليثيوم أهمية متزايدة في صناعة أشباه الموصلات نظرًا لخصائصها الفيزيائية والكيميائية والكهربائية الفريدة. وتلعب هذه المواد، وخاصةً نيوبيات الليثيوم (LiNbO₃) وتانتالات الليثيوم (LiTaO₃)، أدوارًا حاسمة في الإلكترونيات الضوئية والاتصالات السلكية واللاسلكية ومختلف أجهزة أشباه الموصلات المتقدمة. دعونا نستكشف مركبات الليثيوم الرئيسية المستخدمة في أشباه الموصلات وخصائصها وتطبيقاتها.

[1]

1. ليثيوم نيوبات الليثيوم (LiNbO₃)

نيوبات الليثيوم هي واحدة من أبرز المواد القائمة على الليثيوم المستخدمة في تطبيقات أشباه الموصلات، وغالباً ما يشار إليها باسم "السيليكون البصري" في عصر الضوئيات. وتحظى هذه المادة بتقدير كبير لخصائصها البصرية الكهروضوئية والكهروضغطية والبصرية غير الخطية، مما يجعلها مادة لا غنى عنها في التقنيات البصرية وتقنيات الاتصالات.

تشمل الميزات الرئيسية لمادة LiNbO₃ ما يلي:

• التأثير الكهروبصري: إن قدرة نيوبات الليثيوم على تغيير معامل انكسارها استجابةً لمجال كهربائي مطبق يجعلها مادة أساسية في المغيرات الكهربائية البصرية. وتُعد هذه المُعدِّلات ضرورية لتشفير البيانات على الإشارات الضوئية في أنظمة الاتصالات بالألياف البصرية.
• الخواص الكهرضغطية: تُستخدم نيوبيات الليثيوم في أجهزة الموجات الصوتية السطحية (SAW)، والتي تعتبر مهمة في الهواتف المحمولة وأنظمة الاتصالات اللاسلكية (RF).
• الخواص البصرية غير الخطية: تسمح الخصائص الضوئية غير الخطية لهذه المادة بأداء مضاعفة التردد في أنظمة الليزر، وتحويل الضوء من تردد إلى آخر.

لذلك، تُستخدم على نطاق واسع في:

• المُعدِّلات الضوئية: تستخدم على نطاق واسع في الاتصالات السلكية واللاسلكية لنقل البيانات عالية السرعة.
• مرشحات SAW: تُستخدم في أجهزة الاتصالات اللاسلكية، بما في ذلك الهواتف الذكية وأنظمة تحديد المواقع.
• مضاعفة التردد: تُستخدم في تقنيات الليزر لتطبيقات مثل الفحص المجهري والقياس الدقيق.

2. تانتالات الليثيوم (LiTaO₃)

على غرار نيوبات الليثيوم، يمتلك تانتالات الليثيوم قدرات كهروضوئية وكهرضغطية ممتازة، مما يسمح باستخدامه في تطبيقات مماثلة.

وتشمل بعض فوائده الرئيسية ما يلي:

• معامل كهروبصري أعلى: تتمتع تانتالات الليثيوم بتأثير كهروبصري أكبر، مما يجعلها أكثر فعالية في تعديل الضوء في الأجهزة الضوئية.
• استجابة كهرضغطية أكبر: تسمح هذه الخاصية بتحسين الأداء في أجهزة الاستشعار والمشغلات، خاصة في الأجهزة الصوتية.
• استقرار حراري فائق: يحافظ تانتالات الليثيوم على خصائصه بشكل أفضل في درجات الحرارة المرتفعة، مما يعزز الموثوقية في التطبيقات ذات درجات الحرارة العالية.
• خسائر بصرية أقل: يُظهر عادةً خسائر امتصاص أقل في نطاق الأشعة تحت الحمراء، وهو أمر مفيد للاتصالات البصرية.

يحتوي تانتالات الليثيوم (LiTaO₃) على تطبيقات الأغشية الرقيقة التالية بسبب خصائصه الفريدة.

• موجهات الموجات الضوئية: يتيح معاملها الكهروبصري العالي إمكانية التعديل الفعال للضوء، مما يجعلها مثالية للدوائر البصرية المتكاملة.
• محولات التردد: يُستخدم LiTaO₃ في الأجهزة التي تحوّل تردداً ضوئياً إلى آخر، مستفيدةً من فواقدها الضوئية المنخفضة ومعاملاتها غير الخطية العالية.
• أجهزة الموجات الصوتية السطحية (SAW): إن الخصائص الكهروضغطية الفائقة للمادة تجعلها مناسبة لمرشحات ومستشعرات الموجات الصوتية السطحية SAW، التي يشيع استخدامها في الاتصالات السلكية واللاسلكية.
• مكثفات الأغشية الرقيقة: تسمح خصائصه العازلة الممتازة بتصنيع مكثفات عالية الأداء في الإلكترونيات الدقيقة.
• أجهزة الليزر: يُستخدم LiTaO₃ في تقنيات الليزر لمضاعفة التردد والتذبذب البصري الباراماتيكي، مستفيدًا من قدراته البصرية غير الخطية.

3. فلوريد الليثيوم (LiF)

فلوريد الليثيوم هو مركب ليثيوم آخر من مركبات الليثيوم التي تمتلك تطبيقات الأغشية الرقيقة. ويستخدم على نطاق واسع كمادة رقيقة في الأجهزة الإلكترونية الضوئية، لا سيما كطبقة عازلة في الصمامات الثنائية العضوية الباعثة للضوء (OLEDs) وغيرها من تطبيقات أشباه الموصلات.

يحتوي فلوريد الليثيوم على فجوة نطاق كبيرة، مما يجعله شفافًا للأشعة فوق البنفسجية (UV) ومثاليًا للاستخدام في البصريات فوق البنفسجية. وقدرته على نقل الأشعة فوق البنفسجية تجعله ذا قيمة في الإلكترونيات الضوئية والضوئيات.

يمكن استخدام هذه المادة ذات الأغشية الرقيقة في:

• شاشات OLED: تستخدم كطبقة عازلة لتحسين الكفاءة والأداء.
• الإلكترونيات الضوئية الرقيقة: تُستخدم في مختلف الأجهزة الإلكترونية الضوئية، بما في ذلك كاشفات الأشعة فوق البنفسجية وأجهزة الاستشعار.

4. ليثيوم ثنائي سيليكات الليثيوم (Li₂Si₂O₅)

بالإضافة إلى ذلك، يُستخدم ثنائي سيليكات الليثيوم في المقام الأول في مواد السيراميك والزجاج، والتي لها تطبيقات محتملة في تغليف أشباه الموصلات.

ويتم تقييم هذه المواد لقوتها الميكانيكية العالية ومتانتها ومقاومتها للصدمات الحرارية. يشتهر ثنائي سيليكات الليثيوم بصلابته الفائقة وقدرته على تحمل الضغوط العالية. كما أن مقاومتها للصدمات الحرارية تجعلها مفيدة في التطبيقات التي تنطوي على تغيرات سريعة في درجة الحرارة.

تتضمن تطبيقات تغليف أشباه الموصلات ما يلي:

• تغليف أشباه الموصلات: يستخدم في حماية وعزل مكونات أشباه الموصلات.
• تطبيقات السيراميك عالي القوة: في مجال الإلكترونيات المتقدمة، يمكن استخدام السيراميك الزجاجي القائم على ثنائي سيليكات الليثيوم في المكونات الميكانيكية التي تتطلب قوة وثباتًا عاليًا.

5. كبريتيد الليثيوم (Li₂S)

تستخدم مركبات الليثيوم أيضاً في البطاريات. كبريتيد الليثيوم مادة ناشئة في تطوير بطاريات الحالة الصلبة.

وهي توفر تخزيناً فعالاً ومدمجاً للطاقة مع الميزات التالية.

• الموصلية الأيونية العالية: يوفر كبريتيد الليثيوم توصيلية أيونية ممتازة، مما يجعله مرشحاً قوياً للاستخدام في بطاريات الليثيوم أيون الصلبة بالكامل.
• التوافق مع الكاثودات عالية الطاقة: يمكن أن يقترن كبريتيد الليثيوم بشكل جيد مع الكاثودات عالية الطاقة، مما يحسن الكفاءة الكلية لأنظمة البطاريات.

6. فوسفات الليثيوم (Li₃PO₄)

تُستخدم فوسفات الليثيوم في تطوير بطاريات الليثيوم أيون الرقيقة، والتي يمكن دمجها في الأجهزة الإلكترونية الدقيقة وأنظمة أشباه الموصلات.

ويفيد الليثيوم ₃PO₄PO₄ في:

• بطاريات الأغشية الرقيقة: تستخدم في الرقائق الدقيقة والأجهزة الإلكترونية الصغيرة التي تتطلب حلول طاقة مدمجة وفعالة.
• الأجهزة القابلة للارتداء وأجهزة الاستشعار: تتيح فوسفات الليثيوم دمج تخزين الطاقة في أنظمة أشباه الموصلات الصغيرة، وتشغيل أجهزة الاستشعار والأجهزة الإلكترونية القابلة للارتداء.

الخلاصة

تُعد مركبات الليثيوم ضرورية لتقدم تقنيات أشباه الموصلات الحديثة. وتُعد نيوبيات الليثيوم وتانتالات الليثيوم من المواد الأساسية في مجال الإلكترونيات الضوئية والاتصالات السلكية واللاسلكية، وهي معروفة بخصائصها الكهروضوئية والكهروضغطية. ومع تزايد الطلب على حلول أشباه الموصلات الأكثر كفاءة وقابلية للتطوير والتكامل، ستستمر مركبات الليثيوم في تشكيل مستقبل الإلكترونيات والاتصالات وأنظمة تخزين الطاقة.

لمزيد من المعلومات والمنتجات، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

مرجع:

[1] Wang, C., Li, Z., Riemensberger, J. et al. Lithium tantalate tantalate الدوائر الضوئية المتكاملة للتصنيع بكميات كبيرة. Nature 629, 784-790 (2024). https://doi.org/10. 1038/s41586-024-07369-1