铌酸锂晶体

高等材料结构学戴欢12015001125对象材料：铌酸锂晶体（LiNbO3）。对铌酸锂晶体研究的意义和价值：铌酸锂晶体是一种集电光、双折射、声光、非线性光学、光弹、压电、光折变、热释电、铁电与光生伏打效应等性质于一身的人工晶体材料，多年来备受人们的青睐。它广泛应用于集成光和光波导，如光放大调制器、二次谐波器、Q-开光、光束转向器、相连接器、介电波导、存储元件、全息（光）数据处理装置等。铌酸锂晶体在常温下为铁电相，当温度高于局里温度时为顺电相。其结构决定了它的这些性质，下面将从其常温下的晶体结构、缺陷结构、电子能带结构、显微结构以及纳米结构分别对其作一个简单的介绍。铌酸锂晶体的晶体结构：铌酸锂晶体具有铁电相和顺电相结构，顺电相空间群为R3—C，铁电相空间群为R3C，属六方晶胞。如图，左图为铁电相，右图为顺电相。在铌酸锂晶体中，氧原子构成氧八面体，各氧八面体以共面的形式堆叠起来形成堆垛，公共面和氧八面体的三重轴垂直。许多个堆垛再以共棱的形式连接起来形成晶体。顺电相中，每个堆垛中的氧八面体按下述顺序交替出现：一个中心有Nb的氧八面体，两个在其公共面上有Li的氧八面体（图中未用直线连接），在其八面体空隙中，1/3由Li原子占据，1/3为Nb，1/3为空穴。沿着C轴方向，原子排列顺序如下：Nb、空穴、Li、Nb、空穴、Li，……铁电相中，Li和Nb都沿着C轴发生了位移，在C轴产生了电偶极矩，即出现了自发极化，图中靠右边的水平线代表氧平面【1】。常温下，铌酸锂晶体空间群为R3C，晶格常数为：a=b=5.14829A。，c=13.8631A。。各原子坐标如下【2】：基失坐标：a→1=(√3/2,-1/2,0),a→2=(0,1,0),a→3=(0,0,3)铌酸锂晶体等效晶位的wyckoff符号【3】：铌酸锂晶体的缺陷结构：在理想的铌酸锂晶体中，沿着C轴方向，每个八面体之间以共面的形式连接，理想的堆积顺为：…-LiO6-NbO6-VacO6-LiO6-NbO6-VacO6-…（VacO6表示空位八面体）当晶体中存在缺陷时，理想的堆积情况在局部被打乱，如图所示，原子成建情况也发生巨大的变化【5】。图中上图【4】为无缺陷铌酸锂晶体的三维晶体结构，下图【5】为缺陷态的铌酸锂晶体的三维晶体结构。由于锂离子和铌离子的半径几乎相同，且处于相似的畸变氧八面体中，但由于Nb5+-O2-键强度大约是Li+-O2-键强度的5倍，所以LN晶体中易于形成本征缺陷，即锂位被铌离子占据，并且晶体必须保持电中性，形成了LN晶体的缺陷结构。铌酸锂晶体的电子能带结构：晶体的电子能带结构可用CASTEP软件进行直接计算。在能带和态密度计算时采用局域密度近似（LDA）的CA-PZ（一种局域近似交换相关能函数）和赝势相结合的方法。布里渊区的求和是通过Monkhorst-Packgrid网络的特殊K点取样来完成的，结构优化和性质计算使用的Monkhorst-PackK点取样网格均为6mesh×6mesh×6mesh。采用局域密度近似计算晶体的电子能带结构时，得到的能带间隙比实验结果偏小。布里渊区【6】：先算倒格矢，然后画倒格子，最后在倒易空间垂直平分面得到布里渊区，如图：说明如下：如图【7】，为铌酸锂晶体的能带结构和态密度曲线：能带结构由但部分构成：低于-15eV的区域；-5~0eV之间的价带；0eV以上的导带。价带的顶部在X点而导带的底部在Y点，均不在G点（布里渊的中心），即铌酸锂晶体为间接能隙晶体。图中表明价带和导带之间的能隙为3.11eV。图【7】为铌酸锂晶体的分态密度和全密度图。由图的部分态密度可知，在由-15.48eV为中心的一个锐利峰组成的区域，主要由O原子的2s电子态组成。-5～0eV之间的价态主要由Nb原子的4d电子态和O原子的2p电子态组成。0eV以上的导带部分由O原子和Li原子的2p电子态和Nb原子的4d电子态组成，其中Li原子的2p电子态组成了导带的高能部分。费米面附近主要由Nb原子的4d电子态和O原子的2p电子态组成。铌酸锂的显微结构：如图【8】，为铌酸锂晶体的SEM图，其中，左图为含Nb2O5杂质相的LiNbO3粉体，Nb2O5相的形貌为不规则形状，而LiNbO3为规则的立方结构，但LiNbO3粉体存在团聚现象；中间的为270℃下合成的纯的LiNbO3粉体，形貌为规则的立方结构，团聚较严重；右图为260℃下合成（含0.5%SDS）的LiNbO3粉体，LiNbO3呈球状，且分散较好。图【8】为TEM图，LiNbO3粉体呈方形颗粒的团聚体结构，这与SEM图基本一致，粉体的粒径大约在50～200nm之间。铌酸锂的纳米结构：如图【9】，为铌酸锂晶体纳米结构的SEM图，从图中可以看出其形貌为有规则的方糖状的立方体。如图【9】，为铌酸锂晶体纳米结构的TEM图，从图中观测出其形貌为矩形，晶粒尺寸大约为50nm，和SEM观测到的结果相吻合。如图【9】，分别为（a）950℃，（b）980℃，（c）1000℃，（d）1050℃的铌酸锂粉体烧结体的SEM图。从图中看出在1000℃下得到的烧结体具有最好的致密度。参考文献：[1]张一兵.铌酸锂的晶体结构[J].上饶师范学院学报.2001,21(6)[2]雷晓蔚,林竹,赵辉等.掺锰铌酸锂晶体第一性原理研究[J].原子与分子物理学报.2010,27(5)[3]=161&grha=hexagonal[4]薛冬峰等.铌酸锂、钽酸锂晶体的结构特征[J].化学研究.2002,13(4)[5]贺祥珂，薛冬峰，KitamuraKenji等.铌酸锂晶体的缺陷及其控制[J].人工晶体学报.2005,34(5)[6]=161&fig=f3mra&what=data[7]张军，韩胜元，卢贵武，夏海瑞等.铌酸锂晶体电子结构和光学性质计算[J].中国激光.2007,34(9)[8]宁海霞，廖其龙，熊杰，丁建旭.水热合成铌酸锂超细粉体的反应条件及其性能研究[J].功能材料.2008,39（2）[9]ChenZhenNing,ChenShiQian,LiuXinRong.HydrothermalsynthesisLiNbO3nanopowdersanddielectricpropertiesoftheirsinters[J].CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS.2006,19(5)