THERMOMECHANICAL AND THERMOPHYSICAL PROPERTIES OF LITHIUM NIOBATE

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

A new thermodynamic model of lithium niobate is proposed, based on the use of the sixth-degree Landau potential. Its feature is the nonlinear dependence of the coefficient at the square of polarization along the polar direction on temperature. In contrast to the previously used fourth-degree potential, this ensures good agreement between the behavior of spontaneous polarization and deformation calculated on its basis and the results of experimental studies. Using the proposed thermodynamic potential, a complete set of material constants determining the thermomechanical properties of lithium niobate, as well as constants of the electro-optical and acousto-optical effects in a wide range of temperature changes, is constructed. Independence of the elastic moduli of lithium niobate from temperature is confirmed, in contrast to piezoelectric, acousto-optical and electro-optical constants, some of which undergo significant changes. The results are of interest when choosing the orientation of the crystal cut in the process of developing micro- and nanoscale acousto- and optoelectronic devices.

About the authors

V. B. Shirokov

Southern Scientific Center RAS

Rostov-on-Don, Russia

I. B. Mikhailova

Southern Scientific Center RAS

Rostov-on-Don, Russia

A. S. Turchin

Southern Scientific Center RAS

Rostov-on-Don, Russia

V. V. Kalinchuk

Southern Scientific Center RAS

Email: vkalin415@mail.ru
Rostov-on-Don, Russia

References

  1. Weis R.S., Gaylord T.K. Lithium niobate: summary of physical properties and crystal structure // Appl. Phys. A. 1985. V. 37. № 4. P. 191–203. https://doi.org/10.1007/BF00614817
  2. Кузьминов Ю.С. Электрооптический и нелинейно-оптический кристалл ниобата лития. М.: Наука, 1987. 264 с.
  3. Wong K.K. Properties of Lithium Niobate. London: INSPEC, The Institution of Electrical Engineers, 2002. 417 p.
  4. Morgan D.P. Surface Wave Devices for Signal Processing. Elsevier, 1985. = Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и Связь, 1990. 416 с.
  5. Орлов В.С., Бондаренко В.С. Фильтры на поверхностных акустических волнах. М.: Радио и Связь, 1984. 272 с.
  6. Mandal D., Banerjee S. Surface Acoustic Wave (SAW) Sensors: Physics, Materials, and Applications // Sensors. 2022. V. 22. № 3. Art. 820. https://doi.org/10.3390/s22030820
  7. Chen G., Li N., Ng J.D., Lin H.-L., Zhou Y., Fu Y.H. et al. Advances in lithium niobate photonics: development status and perspectives // Adv. Photonics. 2022. V. 4. № 3. P. 1–43. https://doi.org/10.1117/1.AP.4.3.034003
  8. Zhu Y., Wan Q. Lithium niobate/lithium tantalate single crystal thin films for post moore era chip applications // Moore and More. 2024. V. 1. № 6. P. 1–17. https://doi.org/10.1007/s44275-024-00005-0
  9. Srzolenskii G.A., Krainik N.N., Khuchua N.P., Zhdanova V.V., Mylnikova I.E. The Curie Temperature of LiNbO3 // Phys. Stat. Sol. 1966. V. 13. № 2. P. 309–314. https://doi.org/10.1002/pssb.19660130202
  10. Nassau K., Levinstein H.J., Loiacono G.M. Ferroelectric lithium niobate. 2. Preparation of single domain crystals // J. Phys. Chem. Solids. 1966. V. 27. № 6–7. P. 989–996. https://doi.org/10.1016/0022-3697(66)90071-0
  11. Warner A.W., Onoe M., Coquin G.A. Determination of Elastic and Piezoelectric Constants for Crystals in Class (3m) // J. Acoust. Soc. Am. 1967. V. 42. № 6. P. 1223–1231. https://doi.org/10.1121/1.1910709
  12. Smith R.T., Welsh F.S. Temperature Dependence of the Elastic, Piezoelectric, and Dielectric Constants of Lithium Tantalate and Lithium Niobate // J. Appl. Phys. 1971. V. 42. № 6. P. 2219–2230. https://doi.org/10.1063/1.1660528
  13. Tomeno I., Matsumura S. Elastic and dielectric-properties of LiNbO3 // J. Phys. Soc. Jpn. 1987. V. 56. № 1. P. 163–177. https://doi.org/10.1143/JPSJ.56.163
  14. Xue D., Betzler K., Hesse H., Lammers D. Temperature dependence of the dielectric response of lithium niobate // J. Phys. Chem. Solids. 2001. V. 62. № 5. P. 973–976. https://doi.org/10.1016/S0022-3697(00)00273-0
  15. Ogi H., Kawasaki Y., Hirao M., Ledbetter H. Acoustic spectroscopy of lithium niobate: Elastic and piezoelectric coefficients // J. Appl. Phys. 2002. V. 92. № 5. P. 2451–2456. https://doi.org/10.1063/1.1497702
  16. Jazbinsek M., Zgonik M. Material tensor parameters of LiNbO3 relevant for electroand elasto-optics // Appl. Phys. B. 2002. V. 74. P. 407–414. https://doi.org/10.1007/s003400200818
  17. Murakami S., Watanabe K., Takigawa R. Investigation of the interface between LiNbO3 and Si fabricated via room-temperature bonding method using activated Si nano layer // Jpn. J. Appl. Phys. 2023. V. 62. https://doi.org/10.35848/1347-4065/acc2cb
  18. Jia Y., Wang L., Chen F. Ion-cut lithium niobate on insulator technology: Recent advances and perspectives // Appl. Phys. Rev. 2021. V. 8. № 1. https://doi.org/10.1063/5.0037771
  19. Pastureaud Th., Solal M., Biasse B., Aspar B., Briot J.-b., Daniau W. et al. High-Frequency Surface Acoustic Waves Excited on Thin-Oriented LiNbO3 Single-Crystal Layers Transferred Onto Silicon // IEEE Trans. Sonics Ultrason. 2007. V. 54. № 4. P. 870–876. https://doi.org/10.1109/TUFFC.2007.321
  20. Solal M., Pastureaud T., Ballandras S., Aspar B., Biasse B., Daniau W. et al. Oriented lithium niobate layers transferred on 4” (100) silicon wafer for RF SAW devices // 2002 IEEE Ultrasonics Symposium Proceedings. Munich, Germany, 2002. V. 1. P. 131–134. https://doi.org/10.1109/ULTSYM.2002.1193369
  21. Yamada T. Electromechanical Properties of Oxygen Octahedra Ferroelectric Crystals // J. Appl. Phys. 1972. V. 43. № 2. P. 328–338. https://doi.org/10.1063/1.1661117
  22. Scrymgeour D. A., Gopalan V., Itagi A., Saxena A., Swart P. J. Phenomenological theory of a single domain wall in uniaxial trigonal ferroelectrics: Lithium niobate and lithium tantalate // Phys. Rev. B. 2005. V. 71. Art. 184110. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.71.184110
  23. Boysen H., Altorfer F. A Neutron Powder Investigation of the High-Temperature Structure and Phase Transition in LiNbO3 // Acta Cryst Section B. 1994. V. 50. P. 405–414. https://doi.org/10.1107/S0108768193012820
  24. Широков В.Б. Базис инвариантов для сегнетомагнетика // Кристаллография. 2011. Т. 56. № 3. С. 509–510.
  25. Salje E.K.H., Gallardo M.C., Jimenez J., Romero F.J., del Cerro J. The cubic–tetragonal phase transition in strontium titanate: excess specific heat measurements and evidence for a near-tricritical, mean field type transition mechanism // J. Phys.: Condens. Matter. 1998. V. 10. № 25. P. 5535–5543.
  26. Шостак Р.И. Евдокимов С.В., Яценко А.В. Анализ температурной зависимости спонтанной поляризации кристаллов LiNbO3 // Кристаллография. 2009. Т. 54. № 3. С. 527–531.
  27. Lehnert H., Boysen H., Frey F. A neutron powder investigation of the high-temperature structure and phase transition in stoichiometric LiNbO3 // Zeitschrift für Kristallographie. 1997. V. 212. № 10. P. 712–719. https://doi.org/10.1524/zkri.1997.212.10.712
  28. Ярив А., Юх П. Оптические волны в кристаллах. М.: Мир, 1987. 616 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».