随着物联网、人工智能、大数据技术的快速发展，钽酸锂（LiTaO₃）因具有压电、声光、电光等一众优良性能，而被广泛应用于数字信号处理、5G通信、制导、红外探测器等领域，其单晶薄膜更是被认为是后摩尔时代新器件发展迫切需求的新材料。接下来，小编将为大家介绍钽酸锂及其相关应用。

图源：鑫科汇

钽酸锂是什么？

钽酸锂是一种性能优良的多功能晶体材料，属于钛铁矿型结构，呈无色或淡黄色。其晶体原料丰富，性能稳定，易加工，能够制备高质量、大尺寸单晶，经抛光的钽酸锂晶体可广泛应用于谐振器、表面滤波器、换能器等电子通讯器件的制造，是手机、卫星通讯、航空航天等许多高端通讯领域不可或缺的功能材料。

（1）电光性能：钽酸锂的电光性能是其在光通信和光学计算等领域的重要基础，由于钽酸锂是没有中心对称的晶体，因此表现出很强的线性电光（Pockels）效应，在外加电场的作用下，其折射率会发生变化，从而可以有效的将电信号转换为光信号的调制。

（2）光折变效应：钽酸锂对光照非常敏感，即便是较弱的光也能引起明显的光折变效应。在光照射下，材料中的电子会被激发，从价带跃迁到导带，留下等量的空穴。自由电荷在电场的作用下会发生迁移，在材料内部形成空间电荷分布，使材料内部的电场发生变化，进而引起折射率的改变。光折变效应通常是可逆的，当光照停止后，折射率会部分或完全恢复至原样。

（3）压电效应：由于钽酸锂属于三方晶系，具有非中心对称的晶体结构，因此其正负电荷中心不重合，在受到外力作用而变形时，其内部的正负电荷中心会发生相对位移，导致晶体表面产生电荷。

钽酸锂的晶体结构（图源：文献1）

钽酸锂单晶薄膜

随着5G通信、人工智能、物联网技术的快速发展，器件逐渐朝着微型化、高频化、集成化方向发展，钽酸锂薄膜因具有优异的电光转换特性、温度特性、导热性并且可与硅兼容，因此被认为是后摩尔时代新器件发展迫切需求的新材料。目前常用的制备钽酸锂单晶薄膜的方法包括化学气相沉积法、磁控溅射法、溶胶-凝胶法。

（1）化学气相沉积法：化学气相沉积法是利用有机金属热分解进行气相外延生长的先进技术。反应物通常会以气态的形式进入反应室，并在反应室内被激活，再与衬底表面发生化学反应，从而合成薄膜。使用化学气相沉积法可以精确的控制生成物的化学组成，具有应力小、质量好、纯度高、产量高、均匀性好等优势。

化学气相沉积工艺流程示意图（图源：文献2）

（2）磁控溅射法：磁控溅射法是近年来制备钽酸锂薄膜使用较多的方法。它主要是利用溅射粒子轰击待溅射的靶材，使固体靶材表面原子从靶材表面被轰击溅射出来，轰击出来的靶材原子沉积到衬底上的过程称为溅射镀膜过程。使用磁控溅射法制备的钽酸锂薄膜具有致密性好、薄膜附着性强、应力小的特点。

磁控溅射原理图（图源：文献2）

（3）溶胶-凝胶法：溶胶-凝胶法是目前制备钽酸锂薄膜应用最广的方法，它是以乙醇钽和醋酸锂为原料，甲基乙二醇或乙二醇甲醚为溶剂，使用旋涂法来进行的。通过利用金属醇氧基化合物或其他金属盐类溶入醇类或其它溶剂中，进行水解及缩合反应从而形成凝胶，再经处理而得所需的产品，如块材、薄膜或者纤维。通过溶胶-凝胶法制备的钽酸锂薄膜样品纯度高、薄膜组成成分均匀、合成温度低、可以制备大面积且厚度均匀的薄膜、能够通过化学反应进行微观结构的控制。

（4）离子注入键合剥离法：离子注入键合剥离技术主要是利用氢离子注入钽酸锂晶圆，在深度方向上呈现类高斯分布并形成损伤层,将注入晶圆与另一支撑晶圆键合,经过适当的热处理后注入离子在损伤层处起泡,并从起泡层处完整裂开,形成由注入晶圆分离的单晶薄膜与衬底晶圆组成的复合薄膜材料。通过离子注入键合剥离法制备出的钽酸锂薄膜具有缺陷低、厚度可控、表面平整、生产效率高、可与其他半导体材料兼容等优势。

离子注入与晶圆键合剥离原理图（图源：文献3）

主要应用

1、声表面波（SAW）滤波器

声表面波滤波器是一种利用压电晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性而制成的滤波专用器件，它具有传输损耗低、可靠性高、制作灵活性大、模拟/数字兼容、频率选择特性优异等优点。其主要构成包括传输线、压电晶体和衰减器，当信号经过传输线到达压电晶体表面时，会产生声表面波，而不同频率的声表面波在传播时的速度有所不同，通过合理地设计压电晶体和叉指换能器的几何形状和传输参数以及反射器的存在，可以实现不同频率的滤波效果。目前常见的用于制备滤波器的材料有石英、钽酸锂、铌酸锂。钽酸锂晶体能实现6%-7%的相对带宽，温度系数较高，X切——钽酸锂晶体具有零温度切向，通过精确控制切向精度，可将零温度系数点控制在室温范围内，以便用于制作高频大带宽的滤波器。

横向型SAW滤波器结构示意图（图源：文献4）

2、晶体振荡器

晶体振荡器是一种将直流电能转换为具有一定频率交流电能的能量转换装置，它主要利用压电晶体的压电效应来产生稳定的电振荡。在晶片两极外加电压后，晶体会产生变形，从而会在金属片上产生电压。晶体振荡器因具有频率高度稳定的交流信号而被广泛应用于通信电台、GPS、卫星通信、遥控移动设备、移动电话发射台及高档频率计数器等。它通常使用可将电能和机械能相互转化的晶体，以提供稳定、精确的单频振荡。目前常用的晶体材料有石英半导体材料、钽酸锂晶片。

晶体振荡电路（图源：CSDN-卓晴）

3、热释电探测器

热释电探测器是一种利用热释电效应来检测温度变化或红外辐射的传感器，它可以以非接触的形式检测出目标的能量变化，从而产生可测量的电信号。其核心部件是热释电芯片，一种具有特殊性能的单晶材料，通常由带反向电荷的单元组成，会存在晶轴并具有自发极化现象。热释电材料需要制备的非常薄，在垂直于晶轴方向的表面镀上电极，其中上表面电极需镀上一层吸收层才可以进行使用。当红外辐射到达吸收层时，热释电芯片会被加热并产生表面电极；如果辐射中断，将会产生反向极化电荷。由于这类电荷非常小，需要在被晶体内部电阻中和前，使用极低噪声、低漏导场效应管或者是运算放大器将其转化成电压信号。热释电探测器具有探测率高、工作频率宽、成本低、结构简单及响应速度快等优点。其探测单元包括陶瓷、单晶、薄膜。陶瓷主要使用钽铌酸钾、锆钛酸铅；单晶材料一般采用铌酸锂、钽酸锂；常用的薄膜有钽酸锂薄膜、锆钛酸铅薄膜。钽酸锂晶体因具有良好的热释电系数、居里点和介电常数而在热释电探测器中使用较多。

热释电效应原理图（图源：文献5）

小结

钽酸锂因热释电系数大、居里温度高、介电损耗因子小、单位体积热熔低、相对介电常数小、性能稳定等特点，在5G通信、光子芯片、量子信息等领域具有广阔的应用前景。根据新思界产业研究中心的报告，2022年全球钽酸锂晶体市场规模达到15.7亿人民币，预计在未来将会持续增长。作为目前国产化率较低的新一代通信材料，钽酸锂的国产替代空间非常大，未来对于钽酸锂的需求将会持续上升，市场前景非常广。

参考文献：

1、张运武.铌/钽酸锂单晶热释电性能研究与应用[D].济南大学.

2、孙斌玮.钽酸锂薄膜的制备及其电学光学特性研究[D].电子科技大学.

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4、孔辉,张忠伟,钱煜,等.钽酸锂晶体及其应用分析[J].压电与声光.

5、曾德龙.基于钽酸锂纳米棒的柔性热释电复合敏感薄膜制备与研究[D].电子科技大学.

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