LiNbO3壓電薄膜的研究進(jìn)展

　　LiNbO3因其優(yōu)異的壓電性能和聲表面波特性而被廣泛應用于聲表面波器件中。對LiNbO3的聲表面波特性及薄膜制備技術(shù)進(jìn)行了綜述，并著(zhù)重介紹了LiNbO3/藍寶石及LiNbO3/ 金剛石多層結構的制備、聲表面波特性的理論研究及壓電薄膜研究進(jìn)展。

1、引言

　　自從1965 年Ballman 等報道利用Caochralshi 技術(shù)成功生長(cháng)出LiNbO3 單晶以來(lái)，人們就對LiNbO3 性能的研究和應用研究產(chǎn)生了濃厚的興趣。LiNbO3 材料是目前已知的具有最大自發(fā)極化強度和最高居里溫度的鐵電體材料，集壓電、電光、聲光、非線(xiàn)性光折變及激光活性等于一身，尤其是實(shí)施一些摻雜后能改變它的一些特性，是至今人們發(fā)現的光學(xué)性能最多，綜合指標最好的鐵電材料，是目前公認的“光學(xué)硅”。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)移動(dòng)通訊系統的高速發(fā)展，聲表面波（SAW）器件的使用頻率不斷提高。SAW 器件頻率的提高主要通過(guò)采用先進(jìn)的半導體平面工藝或者使用高聲速材料，然而對于傳統的聲表面波材料如LiNbO3 、石英等壓電晶體，由于聲速較低，在當前的工藝條件下已無(wú)提升空間。研究表明，利用“薄膜效應”采用高聲速的基底可以大幅度提高壓電薄膜的機電耦合系數和聲表面波傳播速度，從而可以大幅度提升SAW 器件的工作頻率，因此壓電薄膜的研究引起了人們的廣泛關(guān)注。與ZnO 和AlN 等壓電薄膜相比，LiNbO3 薄膜SAW 器件在機電耦合系數、工作帶寬、插入損耗等技術(shù)指標上將會(huì )大幅領(lǐng)先，因而高聲速基底上LiNbO3 壓電薄膜的研究成為國內外研究的熱點(diǎn)。到目前為止，人們已經(jīng)采用了多種鍍膜技術(shù)如脈沖激光沉積法（PLD）、磁控濺射（sputtering）、溶膠-凝膠法（sol-gel）、化學(xué)氣相外延（CVD）等在藍寶石、金剛石等基底上對LiNbO3 壓電薄膜制備及聲表面波性能進(jìn)行了研究。作者將簡(jiǎn)要介紹LiNbO3 的晶體結構及壓電特性，然后對LiNbO3壓電薄膜的常用制備方法及研究進(jìn)展進(jìn)行詳細的論述。

2、LiNbO3的聲表面波特性

　　自1949 年貝爾實(shí)驗室發(fā)現LiNbO3 人工晶體以來(lái)，LiNbO3 材料在制備和應用方面有了很大的進(jìn)展。壓電效應是指某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時(shí)，其內部正負電荷中心發(fā)生相對位移會(huì )產(chǎn)生極化，同時(shí)在它的2 個(gè)相對表面上出現正負相反的電荷的現象。當外力去掉后，它又會(huì )恢復到不帶電的狀態(tài)，這種現象稱(chēng)為正壓電效應。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場(chǎng)，這些電介質(zhì)也會(huì )發(fā)生變形，電場(chǎng)去除后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現象稱(chēng)為逆壓電效應，或稱(chēng)為電致伸縮現象。LiNbO3 具有優(yōu)異的壓電特性，它的壓電系數大，聲傳播速度高，機械品質(zhì)因素Qm 高及機電耦合系數大。LiNbO3 單晶的壓電性能及聲表面波性能如表1、表2 所列。此外，LiNbO3 還具有良好的機械加工性能，可進(jìn)行精密加工。因此，LiNbO3 是用于壓電換能器和聲表面波器件中的優(yōu)良材料。

5、結束語(yǔ)

　　LiNbO3 壓電薄膜具有優(yōu)異的聲表面波性能，將LiNbO3 壓電薄膜與藍寶石、金剛石等高聲速襯底材料結合所形成的多層結構，將成為通信業(yè)發(fā)展所需的GHz 寬帶SAW 器件所需的首選材料，其在國防、通信及信息技術(shù)等方面都有著(zhù)很大潛力和廣闊的應用前景。尤其是金剛石薄膜具有優(yōu)良的耐熱性和很高的導熱性，非常適合于其他材料難以實(shí)現的如大功率發(fā)射極高頻濾波器等應用。然而由于金剛石高溫易于氧化，且金剛石與LiNbO3 具有不同的晶體結構，導致金剛石/硅襯底上高結晶質(zhì)量c 軸LiNbO3 薄膜目前仍難以制備。相信隨著(zhù)材料制備技術(shù)的提高，金剛石基LiNbO3 壓電薄膜高頻寬帶SAW 器件的應用范圍將會(huì )越來(lái)越廣