LiNbO3压电薄膜的研究进展

　　LiNbO3因其优异的压电性能和声表面波特性而被广泛应用于声表面波器件中。对LiNbO3的声表面波特性及薄膜制备技术进行了综述，并着重介绍了LiNbO3/蓝宝石及LiNbO3/ 金刚石多层结构的制备、声表面波特性的理论研究及压电薄膜研究进展。

1、引言

　　自从1965 年Ballman 等报道利用Caochralshi 技术成功生长出LiNbO3 单晶以来，人们就对LiNbO3 性能的研究和应用研究产生了浓厚的兴趣。LiNbO3 材料是目前已知的具有最大自发极化强度和最高居里温度的铁电体材料，集压电、电光、声光、非线性光折变及激光活性等于一身，尤其是实施一些掺杂后能改变它的一些特性，是至今人们发现的光学性能最多，综合指标最好的铁电材料，是目前公认的“光学硅”。

　　近年来，随着移动通讯系统的高速发展，声表面波（SAW）器件的使用频率不断提高。SAW 器件频率的提高主要通过采用先进的半导体平面工艺或者使用高声速材料，然而对于传统的声表面波材料如LiNbO3 、石英等压电晶体，由于声速较低，在当前的工艺条件下已无提升空间。研究表明，利用“薄膜效应”采用高声速的基底可以大幅度提高压电薄膜的机电耦合系数和声表面波传播速度，从而可以大幅度提升SAW 器件的工作频率，因此压电薄膜的研究引起了人们的广泛关注。与ZnO 和AlN 等压电薄膜相比，LiNbO3 薄膜SAW 器件在机电耦合系数、工作带宽、插入损耗等技术指标上将会大幅领先，因而高声速基底上LiNbO3 压电薄膜的研究成为国内外研究的热点。到目前为止，人们已经采用了多种镀膜技术如脉冲激光沉积法（PLD）、磁控溅射（sputtering）、溶胶-凝胶法（sol-gel）、化学气相外延（CVD）等在蓝宝石、金刚石等基底上对LiNbO3 压电薄膜制备及声表面波性能进行了研究。作者将简要介绍LiNbO3 的晶体结构及压电特性，然后对LiNbO3压电薄膜的常用制备方法及研究进展进行详细的论述。

2、LiNbO3的声表面波特性

　　自1949 年贝尔实验室发现LiNbO3 人工晶体以来，LiNbO3 材料在制备和应用方面有了很大的进展。压电效应是指某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部正负电荷中心发生相对位移会产生极化，同时在它的2 个相对表面上出现正负相反的电荷的现象。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去除后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。LiNbO3 具有优异的压电特性，它的压电系数大，声传播速度高，机械品质因素Qm 高及机电耦合系数大。LiNbO3 单晶的压电性能及声表面波性能如表1、表2 所列。此外，LiNbO3 还具有良好的机械加工性能，可进行精密加工。因此，LiNbO3 是用于压电换能器和声表面波器件中的优良材料。

5、结束语

　　LiNbO3 压电薄膜具有优异的声表面波性能，将LiNbO3 压电薄膜与蓝宝石、金刚石等高声速衬底材料结合所形成的多层结构，将成为通信业发展所需的GHz 宽带SAW 器件所需的首选材料，其在国防、通信及信息技术等方面都有着很大潜力和广阔的应用前景。尤其是金刚石薄膜具有优良的耐热性和很高的导热性，非常适合于其他材料难以实现的如大功率发射极高频滤波器等应用。然而由于金刚石高温易于氧化，且金刚石与LiNbO3 具有不同的晶体结构，导致金刚石/硅衬底上高结晶质量c 轴LiNbO3 薄膜目前仍难以制备。相信随着材料制备技术的提高，金刚石基LiNbO3 压电薄膜高频宽带SAW 器件的应用范围将会越来越广