رقائق الليثيوم تانتالات الليثيوم مقابل رقائق الليثيوم نيوبات الليثيوم: مقارنة شاملة لعشاق التكنولوجيا

1 مقدمة

نيوبيات الليثيوم ( LiNbO3, LN) وتانتالات الليثيوم (LiTaO3, LT) كلاهما مواد بلورية متعددة الوظائف ذات أداء ممتاز. فيما يتعلق بالخصائص البصرية، فهي تتمتع بخصائص بصرية كهروضوئية وصوتية بصرية وغير خطية، ويمكن استخدامها كمرشحات، إلخ. كما أن لنيوبات الليثيوم تأثير انكسار ضوئي فريد من نوعه، مما يسمح باستخدامه في مجال جديد للتخزين الثلاثي الأبعاد. في المجال الكهربائي، بالإضافة إلى الخصائص الكهروضوئية، فإن لنيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم تأثيرات كهرضغطية وكهرضغطية تستخدم على نطاق واسع كركائز كهرضغطية ووحدات كشف كهرضغطية.

تقدم هذه المقالة مواد نيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم من التركيب البلوري، بما في ذلك خصائصها البصرية وخصائصها الكهربائية ونطاق التطبيق وعملية التحضير وما إلى ذلك، لتزويدك بمرجع معين لاختيار مواد التطبيق.

الهياكل البلورية لنيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم

تنتمي LN إلى النظام البلوري الثلاثي مع المجموعة النقطية 3 م والمجموعة الفراغية R3c ومحور التناظر الدوراني الثلاثي، وتصنف إلى نوعين من نيوبيات الليثيوم شبه المتكافئة (SLN) ونيوبات الليثيوم متساوي التماثل (CLN). ينتمي LT أيضًا إلى النظام البلوري الثلاثي، وينتمي إلى بنية من نوع الإلمنيت، حيث تكون الشبكة هي شبكة ABO3 من العمود الفقري الأوكسي الثماني السطوح. يحدد التركيب البلوري لـ LN وLT خصائصهما البصرية المميزة، والتي لها تطبيقات فريدة في البصريات غير الخطية والكهروضوئية.

الجدول 1 معلومات البنية البلورية

3 الخصائص البصرية لنيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم

يمنح التركيب البلوري الفريد لنيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم خصائص بصرية مميزة. إن LN و LT بلورات بصرية غير خطية تتميز بمعاملات بصرية غير خطية تربيعية عالية، وهي محورية في مختلف العمليات البصرية غير الخطية بما في ذلك مضاعفة التردد والخلط والتجميع وتوليد الاختلاف. وتُظهر معاملات ضوئية كهربائية بصرية كبيرة، مما يدل على قدرتها على تغيير معامل الانكسار تحت المجالات الكهربائية المطبقة، مما يجعلها مثالية للاستخدام في المغيرات الكهربائية البصرية والمفاتيح البصرية. وعلاوة على ذلك، يُظهر كل من LN وLT انكسارًا ثنائي الانكسار، وهو ما يظهر في وجود مؤشري انكسار متميزين داخل البلورة، وبالتالي يُظهران انتقائية الاستقطاب تجاه الضوء الساقط في اتجاهات محددة. وتؤكد نافذة الشفافية الواسعة التي تغطي النطاقات الطيفية المرئية وتحت الحمراء على أهميتها في تطبيقات مثل الاتصالات البصرية وتكنولوجيا الليزر.

تُظهر بلورات نيوبيات الليثيوم تأثير الانكسار الضوئي، حيث يخضع معامل الانكسار لتغيرات غير متجانسة عند تعرضها لإشعاع ضوئي مكثف. في البداية، طرحت هذه الظاهرة تحديات من خلال تعطيل ظروف مطابقة الطور وتقليل كفاءة تحويل التردد المضاعف. ومع ذلك، كشفت الأبحاث اللاحقة أن هذا التأثير يمكن تسخيره للتخزين الثلاثي الأبعاد، وإن كان ذلك يتطلب تشعيعًا أو معالجة بدرجة حرارة عالية للتخفيف من حدة هذه الظاهرة. في الوقت الحاضر، يُستخدم تأثير الانكسار الضوئي كأداة أساسية في معالجة المعلومات الضوئية، حيث يجد تطبيقات في التخزين الضوئي وشاشات العرض الثلاثية الأبعاد والتشكيل المكاني والتمايز الزمني البصري بالكامل ومعالجة الصور. ومع ذلك، قد تواجه الأجهزة التي تستخدم هذه البلورات تشتتًا كبيرًا ناتجًا عن الضوء، يُشار إليه باسم ضوضاء "المروحة"، عند شدة الضوء العالية. بالإضافة إلى ذلك، قد يؤدي وقت الاستجابة الممتد للبلورة إلى تشويه إعادة إنتاج المعلومات، مما يشكل تحديات في تلبية متطلبات التطبيقات عالية الجودة وسريعة الاستجابة وطويلة الأمد.

وتتمتع بلورات تانتالات الليثيوم بالعديد من الخصائص المشابهة لبلورات نيوبيات الليثيوم، مثل البنية البلورية نفسها، والكهرباء الحديدية في درجة حرارة الغرفة، والتركيب غير المتكافئ. وقد أصبحت بلورات تانتالات الليثيوم خاصةً في التخزين الثلاثي الأبعاد، واحدة من أكثر المواد الكهروضوئية شيوعًا للتخزين الثلاثي الأبعاد لأنها تتمتع بمزايا تخزين مماثلة لبلورات الليثيوم نيوبات، مثل: التخزين الهائل والثبات طويل الأمد والمسح المتكرر. على الرغم من أن تانتالات الليثيوم ونيوبات الليثيوم من نفس النوع، إلا أن هناك بعض الاختلافات بين هاتين البلورتين، مثل أن بلورات LT أكثر تميزًا في مقاومة الانكسار الضوئي من بلورات LN، والتي تزيد عنها بأكثر من مرتبتين من حيث الحجم.

الجدول 2 خصائص LN و LT

4 الخواص الكهربائية لليثيوم نيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم

الكهربية الحديدية والتأثير الكهروضغطي

تنتمي كل من نيوبات الليثيوم (LN) وتانتالات الليثيوم (LT) إلى فئة البلورات الكهرو-كهربائية الحديد، التي تتميز بخصائصها الكهربائية الفريدة. وتتميز البلورات الكهرو-كهربائية الحديدية بخاصية الكهرباء الحديدية، حيث يمكن استقطابها استجابةً لمجال كهربائي مطبق وتحتفظ بهذا الاستقطاب حتى بعد إزالة الاستقطاب حتى تتعرض لمجال كهربائي معاكس. وتنشأ هذه الخاصية من تركيبها البلوري غير المتماثل المركزي. وتجد البلورات الكهرو-كهربائية الحديدية تطبيقات مهمة في مجال الإلكترونيات والبصريات، لا سيما في تطوير المكثفات وأجهزة الاستشعار وأجهزة الذاكرة.

يشير التأثير الكهروضغطي إلى العازل الكهربائي في اتجاه معين بفعل القوى الخارجية والتشوه، وظاهرة الاستقطاب الداخلي في نفس الوقت في وسط السطحين المتقابلين للشحنة الموجبة والسالبة. عندما تتم إزالة القوة الخارجية، ستتم استعادتها إلى الحالة غير المشحونة، وتسمى هذه الظاهرة بالتأثير الكهرضغطية الإيجابية. عندما يتغير اتجاه القوة، تتغير قطبية الشحنة أيضًا. تسمى البلورات ذات التأثير الكهرضغطية بالبلورات الكهرضغطية. تكون خلية البلورة الكهرضغطية غير متماثلة، ولكن يمكن أن تظل موجودة في حالة توازن متعادل كهربيًا. عندما يتم تطبيق الضغط على سطح البلورة، تتشوه بنية البلورة وتتدافع الذرات ضد بعضها البعض، وبالتالي توليد تيار كهربائي وإتمام التحول من قوة ميكانيكية إلى كهربائية؛ وعندما يتم تطبيق تيار كهربائي على البلورة الكهرضغطية تتمدد البلورة وتنكمش ويمكن تحقيق التحول من تيار كهربائي إلى طاقة ميكانيكية.

LN وLT: مواد كهرضغطية متفوقة

بلورات الليثيوم نيوبات الليثيوم وبلورات الليثيوم التنتالات هي مواد كهرضغطية نموذجية ذات خصائص كهرضغطية ممتازة، مقارنةً ببلورات الكوارتز الكهرضغطية الكهروضغطية شائعة الاستخدام، وبلورات الليثيوم نيوبات الليثيوم، وبلورات الليثيوم التنتالات تأثير كهرضغطية ممتاز وتأثير اقتران كهروميكانيكي، ويمكن إعدادها للأجهزة عالية التردد، لذلك يمكن استخدام بلورات الليثيوم نيوبات الليثيوم في المرنانات ومحولات الطاقة وخطوط التأخير والمرشحات وما إلى ذلك, تُستخدم في الاتصالات المتنقلة والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ومعالجة الإشارات الرقمية وأجهزة التلفزيون، وتستخدم في الاتصالات المتنقلة والاتصالات عبر الأقمار الصناعية ومعالجة الإشارات الرقمية والتلفزيون والبث الإذاعي والرادار والاستشعار عن بعد والقياس عن بعد وغيرها من المجالات المدنية، وكذلك التدابير الإلكترونية المضادة والصمامات والتوجيه وغيرها من المجالات العسكرية، وأكثرها استخدامًا هو مرشح الموجات الصوتية السطحية (SAWF)، والذي يستخدم على نطاق واسع في مجال مرشحات SAW، ومحولات الطاقة الكهرضغطية وغيرها من المجالات.

وتسمى ظاهرة التغير في شدة الاستقطاب التلقائي للبلورة القطبية بسبب التغير في درجة الحرارة الخارجية بالتأثير الكهروضغطي. وتسمى البلورات ذات هذه الخاصية بالكهربائية الحرارية للبلورات. ومن الخصائص الأساسية للبلورات الكهرو-كهربائية الحديدية أن لها تأثيرًا كهرو-كهربائيًا حراريًا يمكن أن ينتج دون إضافة مجال كهربائي إضافي. تخضع البلورات الكهروحرارية، بعد انخفاض درجة حرارة البلورة إلى أقل من درجة حرارة كوري، إلى درجة معينة من الانتقال الطوري تلقائيًا بسبب نقص الأنماط الاهتزازية في شبكة البلورة، مما يؤدي إلى عدم التماثل في اتجاهات معينة. إذا تم تسخين المادة الكهروضوئية (dT/dt>0)، وعندها تفقد ثنائيات القطب داخل المادة اتجاهها بسبب الاهتزازات الحرارية، ينخفض مستوى استقطابها التلقائي. إذا كانت المادة في حالة الدائرة المفتوحة، تبقى الشحنة الحرة على سطح القطب وتولد جهدًا على المادة. إذا كانت المادة في حالة الدائرة القصيرة، يتولد تيار بين السطحين المستقطبين للمادة. وبالمثل، إذا تم تبريد الكهرباء الحرارية (dT/dt < 0)، يستعيد ثنائي القطب اتجاهه، مما يؤدي إلى زيادة مستوى الاستقطاب التلقائي، حيث تنجذب الشحنة الحرة إلى الأسطح القطبية، وبالتالي يعكس تدفق التيار في ظروف الدائرة القصيرة.

5 تطبيقات ليثيوم نيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم

5.1 مرشحات SAW

المرشحات في أجهزة SAW: تمت دراسة المرشحات أكثر في أجهزة SAW. وتتمتع المرشحات بمزايا فقدان الإرسال المنخفض، والموثوقية العالية، والمرونة العالية في التصنيع، والتوافق التناظري/الرقمي والانتقائية الممتازة للتردد، والقدرة على تنفيذ مجموعة واسعة من الوظائف المعقدة. تتطلب المواد المستخدمة لصنع المرشحات بشكل عام تسطيحًا جيدًا للسطح، ومعاملات اقتران كهروميكانيكية عالية، وفقدان انتشار منخفض، ومعاملات درجة حرارة منخفضة، وإمكانية تكرار جيدة، وموثوقية عالية، وإنتاج بكميات كبيرة، وتكلفة منخفضة.

تكون معاملات الاقتران الكهروميكانيكية لتنتالات الليثيوم ونيوبات الليثيوم أعلى من معاملات الكوارتز، ويمكن لبلورات تانتالات الليثيوم تحقيق نطاق ترددي نسبي يتراوح بين 6% إلى 7%، بينما يمكن لنيوبات الليثيوم تحقيق نطاق ترددي نسبي يتراوح بين 10% إلى 12%، ولكن معاملات درجة حرارة تانتالات الليثيوم ونيوبات الليثيوم أعلى, وتتمتع بلورات تانتالات الليثيوم المقطوعة بالليثيوم-قطع X بمُماسات درجة حرارة صفرية بحيث يمكن التحكم في نقطة معامل درجة الحرارة الصفرية من خلال التحكم الدقيق في دقة المماسات يمكن التحكم في نقطة معامل درجة الحرارة الصفرية في نطاق درجة حرارة الغرفة من خلال التحكم الدقيق في دقة القطع بحيث يمكن استخدامها لتصنيع مرشحات ذات تردد عالٍ وعرض نطاق ترددي كبير.

مرنان المرشحات المرنان هو الوحدة الأساسية للمرشح، ولأدائه تأثير كبير على أداء المرشح. ومع الطلب المتزايد على المرشحات ذات الأداء العالي في محطات الاتصالات، يتم استخدام مرشحات SAW من نوع الرنان على نطاق واسع لحل مشاكل صغر الحجم، وانخفاض استهلاك الطاقة، وانخفاض فقدان الإدراج. عنصر الدائرة الأساسية لمرشح SAW من نوع الرنان هو المرنان. ينعكس SAW المثار بواسطة محول الطاقة بإصبع الشوكة ذهابًا وإيابًا بين شبكتي الانعكاس لتشكيل الرنين، ومن خلال ضبط تردد الرنين للمرنان والتردد المضاد للرنين للمرنان، يمكن تركيب مرشحات تمرير منخفض، وتمرير عالٍ، وتمرير نطاق، ومرشحات رفض النطاق. يمكن أن يزيد الرنان من تردد الرنين والتردد المركزي للمرشح، ويقلل من الرفض خارج النطاق للمرشح، وتردد تشغيل مرشح SAW من نوع الرنان هو بشكل عام 10 ميجا هرتز ~ 1 جيجا هرتز، مع فقدان الإدراج من 1 ~ 5 ديسيبل.

5.2 المذبذبات

المذبذب هو جهاز يقوم بتحويل طاقة التيار المباشر إلى طاقة تيار متردد بتردد معين، ويتحقق ذلك عادةً من خلال دائرة مذبذب. تعمل المذبذبات عن طريق تحويل الطاقة بين المجالين المغناطيسي والكهربائي، مما يتيح التذبذب الحر. ويتم تصنيفها عادة إلى مذبذبات RC، ومذبذبات LC، ومذبذبات بلورية. تستخدم المذبذبات الكريستالية التأثير الكهرضغطي، حيث يؤدي تطبيق الجهد على أقطاب الرقاقة البلورية إلى تشويه البلورة، مما يولد جهدًا عبر الرقاقة. وبينما يتم استخدام الكوارتز في كثير من الأحيان بسبب معامل درجة الحرارة الصغير والثبات الجيد في درجة الحرارة، فإن معامل اقتران الكوارتز الكهروميكانيكي المنخفض يحد من قدرته على تحقيق ترددات عالية وعرض نطاق ترددي واسع في المرشحات. وفي إطار الجهود المبذولة لتحسين أداء المذبذب، ركزت الأبحاث الحديثة على استخدام رقائق تانتالات الليثيوم، مما أدى إلى تحسين أداء الجهاز وتصغير حجمه وتحقيق ترددات أعلى.

5.3 الكاشفات الكهروضوئية

تعمل أجهزة الكشف الكهروضوئية عن طريق تبادل الحرارة مع البيئة المحيطة من خلال الحمل الحراري والتوصيل الحراري والإشعاع الحراري. يتضمن مبدأ العمل امتصاص الإلكترونات على سطح المواد الكهروحرارية الحرارية، مما ينتج عنه سطح متعادل. وعند تعرض السطح للحرارة، تتغير درجة حرارة السطح، مما يؤدي إلى تغير في عزم ثنائي القطب الكهربائي للمادة. للحفاظ على حيادية السطح، تطلق المادة شحنة كهربائية. توفر المستشعرات الكهروضوئية مزايا مثل معدلات الكشف العالية وترددات التشغيل الواسعة وفعالية التكلفة والبناء البسيط وأوقات الاستجابة السريعة. تشمل وحدات الكشف في أجهزة الكشف الكهروحرارية السيراميك والبلورات المفردة والأغشية الرقيقة. ويشمل السيراميك الشائع نيوبيات تانتالوم البوتاسيوم وتيتانات زركونات الرصاص، بينما تتكون البلورات المفردة عادةً من نيوبيات الليثيوم وتانتالات الليثيوم. أما الأغشية الرقيقة التي يشيع استخدامها فهي أغشية تانتالات الليثيوم وتيتانات زركونات الرصاص. ويفضل استخدام بلورات تانتالات الليثيوم في الكواشف الكهروحرارية بسبب معاملها الكهروحراري المفضل ونقطة كوري وثابت العزل الكهربائي.

5.4 مفاتيح التبديل الكمي

تعتمد تقنية الضبط الكمي لليزر على مكوّن بصري خاص: مفتاح بصري سريع داخل التجويف يُشار إليه عموماً بمفتاح الضبط الكمي أو مفتاح كيو، حيث تُعد قيمة كيو مؤشراً على جودة تجويف الرنين البصري في الليزر، فكلما زادت قيمة كيو، انخفضت عتبة الضخ المطلوبة، وأصبح تذبذب الليزر أسهل، والغرض من الضبط الكمي لليزر هو ضغط عرض النبضة وزيادة طاقة الذروة. الغرض من تقنية ضبط كميّة الليزر هو ضغط عرض النبضة وزيادة طاقة الذروة. في الوقت الحاضر، يتضمن مفتاح Q الشائع الاستخدام تقنية Q الكهربائية البصرية، وتقنية Q الصوتية البصرية، وتقنية Q الصوتية البصرية، وتقنية Q الصبغة المشبعة بالامتصاص Q، وتقنية Cr4 + ∶ YAG القابلة للامتصاص المشبع Q. يتم تطوير وتطبيق تقنية Q الليزر الجديدة Q باستمرار، بما في ذلك Q النشطة Q و Q السلبية Q مزيج من Q النشطة والسلبية Q تقنية Q المزدوجة Q، تقنية Q السلبية المزدوجة، تقنية Q السلبية المزدوجة، تقنية Q ذات الوضع Q.

في الوقت الحاضر، فإن الغالبية العظمى من أشعة الليزر النبضي النانو ثانية مصنوعة من تقنية كيو الكهروبصرية الكهروبصرية، وتقنية كيو الكهروبصرية الكهروبصرية، والمادة الأساسية هي بلورات كيو الكهروبصرية، وبلورات كيو الكهروبصرية الكهروبصرية شائعة الاستخدام، وتشمل بلورات كيو الكهروبصرية الكهروبصرية بلورات فوسفات ثنائي ديوتيريوم البوتاسيوم، وبلورات تانتالات الليثيوم، وبلورات نيوبيات الليثيوم، وبلورات فوسفات أكسيد الروبيديوم التيتانيوم. وتتمتع بلورات تانتالات الليثيوم بأداء مستقر، ولا تنحل، ولديها عتبة تلف عالية، لذلك يتم استخدامها في كثير من الأحيان.

5.5 التخزين الثلاثي الأبعاد

في القرن العشرين، ومع التقدم السريع في علوم وتكنولوجيا المعلومات، أصبحت محدودية الشريط المغناطيسي والأقراص والأقراص المدمجة في تلبية الطلب المتزايد على تخزين البيانات واضحة. وبالتالي، برز التخزين البصري كبديل واعد، حيث تم الاعتراف بالتخزين الضوئي الانكساري المجسم كمنافس رئيسي للجيل القادم من تكنولوجيا التخزين الضوئي. يوفر التخزين الثلاثي الأبعاد سعة أعلى بكثير مقارنة بالذاكرة التقليدية أحادية البعد وثنائية الأبعاد، مع زيادة السعة بما يتناسب مع القوة الثالثة لمقلوب الطول الموجي للضوء.

على الرغم من المزايا الكبيرة للذاكرة ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد ثلاثية الأبعاد الانكسارية الضوئية، مثل الحجم الصغير وزيادة سعة التخزين ومعدلات نقل البيانات الأسرع، إلا أن عدم وجود مواد انكسارية ضوئية مثالية كان تحديًا ملحوظًا. في حين أن بلورات الليثيوم نيوبات الليثيوم (LN) ذات التأثيرات الانكسارية الضوئية أظهرت نتائج واعدة لتطبيقات التخزين الثلاثي الأبعاد، إلا أن تطبيقها العملي تعيقه قيود تشمل انخفاض كفاءة حيود التشبع، وسرعة الاستجابة البطيئة، والتقلب. وقد تضمنت الجهود المبذولة لمعالجة هذه التحديات تطعيم بلورات LN بمواد عنصرية أخرى مثل الحديد والمنغنيز والإن، بهدف تعزيز أدائها وقابليتها للتطبيقات العملية.

6 تحضير نيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم

6.1 تحضير نيوبات الليثيوم

6.1.1.1 تحضير نيوبات الليثيوم المتجانسة المكونات

غالبًا ما يتم تحضير نيوبات الليثيوم المتجانسة المكونة من الليثيوم بطريقة الرفع بالبوتقة. وتتأثر جودة بلورات تانتالات الليثيوم عمومًا بنسبة المواد الخام وسرعة السحب وجودة بلورات البذور وشكل البوتقة ونوعها. وتتمثل مزايا طريقة السحب المستقيم في بساطة المعدات وسهولة التشغيل والتخدير.

6.1.2 تحضير نيوبيات الليثيوم بنسبة متكافئة متقاربة

تُعد الطريقة ثنائية القابلية، المزودة بجهاز شحن مستمر، الطريقة الأكثر نضجًا وقابلة للتطبيق تجاريًا لزراعة بلورات نيوبيات الليثيوم (nSLN) من الذوبان الغني بالليثيوم. ومع ذلك، فإن الطريقة القابلة للذوبان المزدوج تواجه تحديات تشمل المعدات المعقدة، وصعوبة التحكم في نمو البلورات، ومعدلات النمو البطيئة بسبب التفاوت بين مكونات الذوبان والبلورات. وتؤدي هذه العوامل إلى انخفاض الإنتاجية وارتفاع تكلفة البلورات، مما يحد من تطبيقها على نطاق واسع.

وهناك طريقة أخرى سائدة هي طريقة الانتشار، حيث يتم إنتاج بلورات nSLN عن طريق انتشار الليثيوم في بلورات CLN داخل جو مناسب غني بالليثيوم، ويتأثر بدرجة حرارة الانتشار والوقت. يمكن الحصول على بلورات nSLN متجانسة بصريًا بدون شوائب أو جزيئات مشتتة، حتى مستويات عملية، شريطة أن تُظهر ركيزة الانتشار تجانسًا بصريًا عاليًا. ومع ذلك، فإن معظم طرق الانتشار المذكورة في الأدبيات تنتج رقاقات nSLN مقطوعة على شكل Z بسماكات صغيرة. قد تؤدي الركائز السميكة أو غير المقطوعة على شكل Z إلى تشقق الرقاقة أو حتى تكسرها بعد معالجة الانتشار. في التطبيقات الضوئية العملية، غالبًا ما تكون هناك حاجة إلى أبعاد أكبر لتلبية مواصفات تصميم الفتحة عبر الفتحة والمسار البصري. وبالإضافة إلى ذلك، تواجه طريقة الانتشار تحديات تتعلق بتآكل الرقاقة، وإعادة تدوير المواد الخام الغنية بالليثيوم، وإعداد الدفعات، واتساق المكونات البلورية على دفعات، مما يؤثر على كفاءة التكلفة الإجمالية.

6.2 تحضير تانتالات الليثيوم

6.2.1 تحضير تانتالات الليثيوم المتجانسة المكونات

غالبًا ما يتم تحضير بلورات تانتالات الليثيوم من نفس التركيب عن طريق خلط خامس أكسيد التنتالوم عالي النقاء وكربونات الليثيوم عالية النقاء بنسبة متكافئة 0.95:1 (نسبة مولارية) واستخدام طريقة السحب البوتقي. وتتأثر جودة بلورات تانتالات الليثيوم عمومًا بنسبة المواد الخام وسرعة السحب وجودة بلورات البذور وشكل البوتقة ونوعها وعوامل أخرى. يتم تقطيع بلورات تانتالات الليثيوم إلى شرائح، وتسويدها، وطحنها، وشطبها، وتنظيفها للحصول على رقائق تانتالات الليثيوم. وتتمثل مزايا طريقة السحب المستقيم في المعدات البسيطة وسهولة التشغيل والتخدير. يمكن لطريقة التقرح وطريقة توجيه القوالب وطريقة التدرج في درجة الحرارة أن تنجز أيضًا تحضير بلورات تانتالات الليثيوم بنفس التركيبة، ولكنها أقل استخدامًا بالنظر إلى تكلفة التحضير وجودة البلورات وصعوبة العملية.

6.2.2.2 تحضير تانتالات الليثيوم بنسبة تكافؤ متقاربة

من الصعب تحضير بلورات تانتالات الليثيوم القريبة من التكافؤ، وتشمل الطرق الحالية لتحضير بلورات تانتالات الليثيوم القريبة من التكافؤ بشكل أساسي طريقة البوتقة المزدوجة، وطريقة السحب بالتدفق، وطريقة صهر المنطقة، وطريقة توازن تبادل الطور الغازي.

طريقة البوتقة المزدوجة: تتمثل طريقة البوتقة المزدوجة في إضافة الذوبان باستمرار إلى البوتقة أثناء عملية تحضير البلورة للحفاظ على تركيبة الذوبان في البوتقة دون تغيير، وذلك لتحضير بلورات تانتالات الليثيوم بنسبة متكافئة قريبة من التكافؤ. تكون بلورات تانتالات الليثيوم القريبة من التكافؤ المحضرة بالطريقة ثنائية القالب متجانسة، ولكن العملية معقدة ومكلفة، ويؤدي التقسيم البيني الصلب والسائل إلى عدد كبير من أطراف النمو في البلورات المزروعة.

طريقة سحب التدفق: تتمثل طريقة السحب بالتدفق في إضافة تدفق في ذوبان البلورة لضبط درجة انصهار البلورة، والتدفق الشائع الاستخدام هو K2O. هذه الطريقة أقل صعوبة، ولكن من السهل أن يدخل التدفق في البلورة، ومع زيادة نسبة التدفق، يتغير تركيب الذوبان مع نمو البلورة، ومن الصعب ضمان تجانس البلورات المحضرة.

طريقة ذوبان المنطقة: تتمثل طريقة ذوبان المنطقة في استخدام الطاقة الحرارية في أحد طرفي شريط أشباه الموصلات لإنتاج منطقة ذوبان، ثم تنصهر في بلورة بذرة بلورية واحدة، وضبط درجة الحرارة بحيث تتحرك منطقة الذوبان ببطء إلى الطرف الآخر من الشريط، من خلال الشريط بأكمله لإكمال تحضير البلورات. تتميز البلورات المزروعة بهذه الطريقة بتوزيع موحد للتركيب، وتوفير الطاقة، والاستخدام العالي للمواد الخام، والجودة البلورية العالية.

طريقة توازن تبادل الطور الغازي: تتمثل الميزة الأكبر لطريقة توازن تبادل الطور الغازي في إمكانية التحكم في محتوى الليثيوم في البلورات أثناء عملية النمو، ويمكن الحصول على أي عينات من تانتالات الليثيوم بمحتوى معروف من الليثيوم وفقًا للطلب الفعلي، ولكن هذه الطريقة تستغرق وقتًا طويلًا لمعالجة البلورات وهي مناسبة لتحضير عينات الصفائح كبيرة الحجم، ومن الصعب الحصول على نسبة متكافئة كبيرة وموحدة من البلورات المفردة.

الجدول 3 مقارنة بين الطرق المختلفة لتحضير تانتالات الليثيوم بنسبة تكافؤ متكافئة متقاربة

7 الاستنتاج

يتمتع كل من ليثيوم نيوبات الليثيوم وتانتالات الليثيوم بخصائص بصرية وبصرية إلكترونية غير خطية ممتازة ويمكن استخدامهما في الأجهزة البصرية مثل المرشحات والأجهزة الكهروضوئية والكهروضوئية والمكونات الكهروضغطية والكهروضوئية والتخزين الثلاثي الأبعاد. قد يُفضل استخدام نيوبيات الليثيوم للتخزين الهولوغرافي حيثما تكون الدقة وجودة الصورة أعلى، بينما يُفضل استخدام تانتالوم الليثيوم في السيناريوهات التي تحتاج إلى تقليل تأثيرات الانكسار الضوئي إلى الحد الأدنى. وفيما يتعلق بالتحضير، لا تزال طريقة سحب نمو البلورات هي طريقة التحضير الأساسية ويتم تحضير أنواع مختلفة من التنتالوم الليثيوم الضوئي باستخدام طرق مختلفة، ولكل منها مزاياها وعيوبها، والعملية الكلية أكثر تعقيداً.

وباعتبارها مواد بصرية وكهروضوئية وكهروضوئية وكهروضوئية وكهرضغطية وكهروحرارية ممتازة، فإن نيوبيات الليثيوم وتانتالات الليثيوم متوفرة في Stanford Advanced Materials (SAM) ونرحب بك للتشاور مع المتخصصين في SAM إذا كان لديك سيناريوهات وأسئلة أكثر تحديداً حول استخدامها في التطبيقات العملية.

صفحات المنتج:

رقائق الليثيوم تانتالات الليثيوم CY0027 (رقائق LiTaO3)

رقائق الليثيوم نيوبات الليثيوم (رقائق LiNbO3)

المراجع

[1] Xiao, X., X., Xu, Q., Liang, S. وآخرون. تحضير رقائق الليثيوم التانتالات شبه المتكافئة والخصائص الكهربائية والحرارية والميكانيكية لرقائق الليثيوم التانتالات شبه المتكافئة. J Mater Sci: Mater Electron 33, 20668-20677 (2022). https://doi. org/10.1007/s10854-022-08878-3

[2] KIMURA T، OMURA M، KISHIMOTO Y، وآخرون. دراسة مقارنة لأجهزة الموجات الصوتية باستخدام ألواح كهرضغطية رقيقة في نطاق 3 ~ 5 جيجاهرتز [J]. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2019, 67 (3): 915-921.

[3] RUBY RUBY R، GILBERT S، LEE S K، وآخرون. تصميم جديد لمرشح SAW السيليكون المركب بدرجة حرارة معينة لتكامل المرشح [J]. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2021, 31(6): 674-677.