前沿丨耄耋铌酸锂，漫漫百年路- 大数跨境

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前沿丨耄耋铌酸锂，漫漫百年路

两江科技评论

2021-08-20

导读：近日，南开大学物理科学学院许京军、孔勇发、任梦昕教授课题组在《人工晶体学报》2021年第7期“人工光/声微结构材料”专题发表了题为“铌酸锂的耄耋之路：历史与若干进展”的综述文章。

撰稿丨任梦昕

自1928年挪威矿物学家Zachariasian对铌酸锂结构特性开展初步研究以来，铌酸锂的研究历史已近百年。铌酸锂是一种光电领域的全能晶体，具有电光、二阶倍频、热释电、压电、光生伏打等丰富的光电特性；同时铌酸锂带隙宽，在可见光至中红外波段的光损耗极低；另外其物理化学性质稳定，能够较为容易地生长高质量大尺寸单晶；其缺陷结构丰富，可以通过化学组分、元素掺杂等手段有效调控晶体性能。目前，铌酸锂已经被广泛用于声表面波滤波器、电光调Q开关、光学频率变换器等多种光电器件的制备中。近年来随着微纳技术的快速发展，微纳尺度表现出的局域效应及其产生的新物理、新效应，为新型铌酸锂光电器件的研发带来了新的发展机遇。目前人们在铌酸锂纳米薄膜制备、集成光子电路、超构表面等方面的研究已经取得突破，为铌酸锂微纳光子学及器件的新应用奠定了基础。

近日，南开大学物理科学学院许京军、孔勇发、任梦昕教授课题组在《人工晶体学报》2021年第7期“人工光/声微结构材料”专题发表了题为“铌酸锂的耄耋之路：历史与若干进展”的综述文章。该文围绕铌酸锂的光学性质综述了其发展历史，介绍了其在微纳光学领域的研究现状，并对其未来发展进行了展望。

论文题录●●

高博锋,任梦昕,郑大怀,兀伟,蔡卫,孙军,孔勇发,许京军.铌酸锂的耄耋之路:历史与若干进展[J].人工晶体学报,2021,50(7):1183-1199.

GAO Bofeng, REN Mengxin, ZHENG Dahuai, WU Wei, CAI Wei, SUN Jun, KONG Yongfa, XU Jingjun. Long-Lived Lithium Niobate: History and Progress[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2021, 50(7): 1183-1199.

//文章导读

发展历史

铌酸锂研究的一个重要突破是1964年Bell实验室的Ballman利用Czochralski法成功生长出厘米级的铌酸锂晶体。翌年，Nassau和Levinstein成功实现了铌酸锂单畴化，获得了高质量单晶。同年，Abrahams等详细测量并计算了铌酸锂的晶格常数与原子占位，建立了铁电与顺电相下铌酸锂晶格结构模型，这一模型沿用至今。在突破了材料生长工艺，获得了最优的晶格模型后，人们对于铌酸锂的电光、倍频、压电、光折变等特性开展了一系列研究，这也奠定了后来铌酸锂研究的总体格局与领域划分。

我国从1970年代开始铌酸锂晶体生长、缺陷、性能及其应用研究，取得了诸多成果。例如1980年南开大学与西南技术物理所合作发现高掺镁铌酸锂的抗光损伤性能显著提高，该晶体被国际同行誉为“中国之星”；随后南开大学在晶体生长、掺杂工程、三维全息海量存储原理及器件研制等方面取得系列突破，开创了大尺寸光学级晶体生长及应用的新局面；同时期，南京大学也突破了周期极化铌酸锂的制备工艺，从实验上验证了准相位匹配理论，开创了基于周期性铁电畴结构实现新型微结构化功能材料的先河。

作者循着时间脉络，分四个小节对铌酸锂电光、倍频、压电、光折变等性质的发现、发展过程进行了详细综述，回顾了在应用需求的推动下对晶体性能进行提升的历程，展现了利用元素掺杂、结构设计等手段实现晶体改性从而发挥功能的巨大潜力。

铌酸锂的发展历程

研究现状

近年来，随着微纳技术的快速发展，铌酸锂微纳光子学方面的研究引起了广泛关注。在1973年至1982年期间，人们分别发明了锂离子外扩散、钛离子内扩散、质子交换等技术，成功制备了铌酸锂光波导。这些技术目前已经成为制备商用铌酸锂波导的主要技术。然而利用以上技术制备的波导对光的束缚能力弱，模场面积大，弯曲损耗大，影响了光器件的集成度。2010年，胡卉等成功将“Smart Cut”技术应用于晶圆级铌酸锂薄膜的制备中，得到了直径为3英寸的高品质商用化单晶薄膜晶圆，促成了铌酸锂集成光子学在近几年的蓬勃发展。

铌酸锂晶体硬度高、物理性质稳定、化学性质不活泼，这对于器件实用化来说是优势，然而这也为铌酸锂的微纳加工带来极大挑战。近年来人们发展了干法刻蚀和激光直写等新型铌酸锂微纳加工技术，在高品质铌酸锂微结构的制备及新型器件研究方面取得了丰硕的成果。比如近年来，中山大学在铌酸锂薄膜波导电光调制器方面取得优秀成果；华东师范大学、南开大学、上海交通大学在铌酸锂微腔制备及器件研究方面得到系列进展；南开大学在铌酸锂超构表面制备与非线性特性研究领域也有突破。

作者着眼于铌酸锂晶体在现代微纳光子学领域的应用，从波导电光调制器、光学微腔、超构表面三个领域详细介绍了铌酸锂晶体微纳加工、器件设计、性能改进等方面的研究进展。

未来展望

经过近百年的发展，铌酸锂在国土安全、医学检测、高能物理、工业探测等领域已经占据着不可或缺的地位。我国在晶体制备、特性调控、器件研发等方面取得了国际瞩目的研究成果，并已经逐渐培育出上中下游产业链。随着微电子、光电子技术的飞速崛起，铌酸锂材料及其相关核心器件的需求或迎来急剧爆发期，为了确保我国在铌酸锂研究及应用方面的既有优势、占据战略位置，有必要在以下几个方面开展工作，提前布局：

首先，在原料获取方面。中国的锂矿资源丰富，而且随着近年新能源战略部署的深入，锂电池需求量增大，这或将同时带动铌酸锂原料产业发展。而我国在铌方面的储量处于劣势，为了稳固我国在铌酸锂方面的战略位置，有必要进行新矿勘探，并与原料国保持合作。

其次，亟须建立统一可行的晶体标准规范，提高晶体生长质量及稳定性，在国际尖端市场占有一席之地。另外，铌酸锂与当前硅微电子工艺尚不能完全兼容，有必要完善铌酸锂加工工艺，同时发展新的光信息处理与计算理论，结合超构表面、纳米波导、光学神经网络等先进技术，进行合理的器件设计，发挥铌酸锂的特性极限。

最后，在可见的未来，电能仍是信息产生与储存的主要方式。因此发展基于铌酸锂的光源与探测器，实现信息在光子与电子间的转化，仍然是构建铌酸锂光子器件体系所必须的关键环节。

//图文速览

图1 铌酸锂电光调制器。(a)脉冲激光器Q开关(南开大学提供)；(b)光纤耦合的电光调制器

图2 铌酸锂频率变换器。(a)周期性铁电畴结构铌酸锂晶体；(b)高功率三基色激光产生

图3 声波延迟线与换能器。(a)1967年研制的声波延迟线(红色器件)与同时期微波电缆延迟线对比；(b)德国制造的用于钠冷快堆检测的铌酸锂阵列超声换能器

图4 多种不同掺杂的铌酸锂晶体(南开大学提供)

图5 基于LNOI的波导电光调制器。(a)可兼容CMOS驱动电压的片上电光调制器；(b)硅/铌酸锂异质结构电光调制器；(c)可重构多功能集成光子芯片；(d)基于铌酸锂光子晶体的小尺寸电光调制器

图6 基于LNOI的光学微腔。(a)LNOI微环腔克尔光频梳及其电光可调分插滤；(b)掺铒铌酸锂微盘腔激光器

图7 铌酸锂超构表面。(a)铌酸锂结构色超构表面，上图为电镜照片，下图为光镜照片;(b~d)铌酸锂超构表面对光学倍频的调控;(e)电光铌酸锂超构表面及其对光波的相位调控

通信作者●●

任梦昕，南开大学物理学院教授，博士生导师，天津市青年拔尖人才，南开百青。长期从事纳微尺度下非线性光学效应及光场调控应用的研究。在Nature Communications、 Advanced Materials、 Nano Letters、 Light: Science & Applications等杂志发表论文40余篇，共获中、美、英授权专利13项，编写《非线性光学研究前沿》中、英文版各1章节，多次受邀国际国内重要学术会议做邀请报告（如CLEO、SPIE、中国光学学会学术大会等）。曾获第九届王大珩光学奖、第八届饶毓泰基础光学奖。

孔勇发，南开大学物理科学学院教授，博士生导师，南开大学物理科学学院副院长、泰达应用物理研究院副院长，教育部“跨世纪优秀人才”，基础物理国家级实验教学示范中心（南开大学）主任。《激光技术》《人工晶体学报》编委。长期从事光电功能晶体的研究，在铌酸锂晶体的缺陷结构及性能调控方面取得了系列研究成果。发表论文140余篇，被他引2000余次；授权发明专利26项，其中美国专利3项；出版专著1部。主持了“863”攻关、国家自然科学基金重点项目、国家国际科技合作专项、天津市重大科技攻关等课题的研究工作。曾获国家自然科学奖二等奖、天津市技术发明奖二等奖、天津市科技进步奖一等奖、天津市自然科学奖一等奖。

许京军，南开大学物理科学学院教授，博士生导师。长期从事非线性光子学及其应用的研究工作，研究领域涉及量子相干系综体系制备及其非线性光子学、共振耦合增强非线性光学效应以及新式光控光技术及其应用。近年来，其研究组在Science、 Nat Mater、 Nat Commun、 Phys Rev Lett、 Opt Lett等杂志上发表论文300余篇。

延伸阅读：《人工晶体学报》铌酸锂晶体综述论文四连发！

耄耋铌酸锂，漫漫百年路！铌酸锂单晶的百年发展历程，是其新结构、新功能、新应用不断发现和拓展的过程，尤其进入本世纪，铌酸锂单晶薄膜制备技术的突破使其历久弥新，成为新一代信息和通信技术的关键材料。对其研究和探索也将随着光电通信技术的发展掀起新的浪潮。《人工晶体学报》近两年已相继刊发了四篇有关铌酸锂晶体、薄膜及其器件与应用的综述论文，全部来自领域内著名专家和实验室，希望不同作者不同视角的分析和展望对您有所裨益。以下是论文题录，长按识别题录后二维码可下载全文。

● 孙军,郝永鑫,张玲,许京军,祝世宁.铌酸锂晶体及其应用概述[J].人工晶体学报,2020,49(6):947-964.