Niobate de lithium

composé chimique

Niobate de lithium
Image illustrative de l’article Niobate de lithium
Identification
Nom UICPA Niobate de lithium
No CAS 12031-63-9
No ECHA 100.031.583
Propriétés chimiques
Formule LiNbO3  [Isomères]
Masse molaire[1] 147,846 ± 0,003 g/mol
Li 4,69 %, Nb 62,84 %, O 32,47 %,
Cristallographie
Système cristallin Trigonal
Symbole de Pearson [2]
Classe cristalline ou groupe d’espace R3c (n°161) [2]

Unités du SI et CNTP, sauf indication contraire.

Le niobate de lithium (LiNbO3) ou niobiate de lithium est un composé chimique de niobium, de lithium et d'oxygène. C'est un matériau diélectrique solide incolore de structure cristalline trigonale. Il est transparent pour des longueurs d'onde entre 350 et 5 500 nanomètres, et sa bande interdite est de 4 eV. Son point de fusion est à 1 257 °C et sa masse volumique est 4,65 g·cm-3. Son numéro CAS est 12031-63-9.

Il peut être dopé par l'oxyde de magnésium qui augmente sa résistance aux dommages optiques quand il est dopé au-delà d'un certain seuil. D'autres dopants possibles sont le fer, le zinc, le hafnium, le cuivre, le gadolinium, l'erbium, l'yttrium, le manganèse et le bore, qui créent des sources optiques modulables par des tubes à ondes progressives.

Le niobate de lithium ne présente pas de symétrie par réflexion, et exhibe un effet Pockels. Sa biréfringence dépend fortement de la température : un ajustement précis de la température permet de contrôler un éventuel accord de phase.

De tels monocristaux élaborés par le processus de Czochralski ont des propriétés électro-optiques, piézoélectriques, photoélastiques et de non-linéarité optique étonnantes. Ils sont utilisés dans le doublage de fréquence, les cellules à effet Pockels, les oscillateurs paramétriques optiques, les lasers déclenchés, des instruments acousto-optiques, etc. Ce sont aussi d'excellents matériaux pour la fabrication de guides d'ondes optiques. Ce nombre impressionnant de propriétés en font un matériau de choix pour les applications en opto-électronique et en photonique, c'est pourquoi il est parfois comparé au silicium pour l'électronique.

Le niobate de lithium est largement utilisé dans le marché des télécommunications comme les téléphones mobiles et les modulateurs optiques de type Mach-Zehnder. Il peut parfois être remplacé par le tantalate de lithium, LiTaO3.

Une autre application envisagée du niobate de lithium est le stockage holographique, basée sur l'endommagement optique réversible ou non du niobate de lithium, permettant ainsi de réaliser des mémoires holographiques de grande capacité.

Équation de Sellmeier modifier

Voici les équations de Sellmeier du Niobate de lithium pur pour les axes ordinaires et extraordinaire :

   

Notons que ces équations ne sont valables que pour des longueurs d'onde comprise entre 400 et 2 000 nm, et des températures entre 25 et 300 °C.

Niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN) modifier

Le niobate de lithium périodiquement polarisé (PPLN, de l'anglais Periodically poled lithium niobate) est un cristal de niobate de lithium structuré, utilisé principalement pour obtenirs un quasi-accord de phase (en) en optique non linéaire. Les domaines ferroélectriques pointent alternativement vers la direction +c et la direction −c, avec une période typiquement comprise entre 5 et 35 µm. Les périodes les plus courtes sont utilisées pour la génération de seconde harmonique, tandis que les plus longues le sont pour l'oscillation paramétrique optique. La polarisation périodique peut être obtenue par polarisation électrique avec une électrode périodiquement structurée. Le chauffage contrôlé du cristal peut être utilisé pour ajuster finement l'accord de phase dans le milieu du fait d'une légère variation de la dispersion avec la température.

La polarisation périodique utilise la composante la plus importante du tenseur de susceptibilité non linéaire du niobate de lithium, d33 = 27 pm/V. Le quasi-accord de phase donne une efficacité maximale qui vaut 2/π (64 %) de d33, soit environ 17 pm/V[3].

Les autres matériaux utilisés pour la polarisation périodique sont des cristaux inorganiques à large bande interdite tels que le KTP (donnant le KTP périodiquement polarisé, PPKTP), le tantalate de lithium et quelques matériaux organiques.

La technique de polarisation périodique peut également être utilisée pour former des nanostructures de surface[4],[5].

Cependant, à cause de son faible seuil d'endommagement photoréfractif, le PPLN a seulement des applications limités, à de faibles niveaux de puissance. Le niobate de lithium dopé au MgO est fabriqué selon la méthode de polarisation périodique. Le niobate de lithium dopé au MgO périodiquement polarisé (PPMgOLN) permet d'étendre le domaine d'utilisation à un niveau de puissance moyen.

Voir aussi modifier

Articles connexes modifier

Notes et références modifier

  1. Masse molaire calculée d’après « Atomic weights of the elements 2007 », sur www.chem.qmul.ac.uk.
  2. a et b « The Ferroelectric LiNbO3 Structure », sur cst-www.nrl.navy.mil (consulté le ).
  3. (en) J.-P. Meyn, C. Laue, R. Knappe, R. Wallenstein et M.M. Fejer, « Fabrication of periodically poled lithium tantalate for UV generation with diode lasers », Applied Physics B, vol. 73, no 2,‎ , p. 111–114 (DOI 10.1007/s003400100623, Bibcode 2001ApPhB..73..111M, S2CID 119763435)
  4. (en) Simonetta Grilli, Pietro Ferraro, Paolo De Natale, Bruno Tiribilli et Massimo Vassalli, « Surface nanoscale periodic structures in congruent lithium niobate by domain reversal patterning and differential etching », Applied Physics Letters, vol. 87, no 23,‎ , p. 233106 (DOI 10.1063/1.2137877  , Bibcode 2005ApPhL..87w3106G)
  5. (en) P. Ferraro et S. Grilli, « Modulating the thickness of the resist pattern for controlling size and depth of submicron reversed domains in lithium niobate », Applied Physics Letters, vol. 89, no 13,‎ , p. 133111 (DOI 10.1063/1.2357928, Bibcode 2006ApPhL..89m3111F)