Lithiumniobat

Lithiumniobat ist eine chemische Verbindung mit der Formel LiNbO₃. Es ist ein transparenter, kristalliner Feststoff, der nicht in der Natur vorkommt. Lithiumniobatkristalle werden üblicherweise nach dem Czochralski-Verfahren aus einer Schmelze (Gemisch aus Lithiumoxid und Niob(V)-oxid) gezogen. Aufgrund seiner Kristallstruktur hat es einige technisch nutzbare Eigenschaften, vor allem als Material in der nichtlinearen Optik.

Kristallstruktur

Lithiumniobat kristallisiert im trigonalen Kristallsystem in der Raumgruppe R3c (Raumgruppen-Nr. 161)Vorlage:Raumgruppe/161 mit den Gitterparametern a = 515 pm und c = 1386 pm sowie sechs Formeleinheiten pro Elementarzelle. Die Nb⁵ -Kationen werden jeweils von sechs Sauerstoffatomen in Form von verzerrten Oktaedern umgeben. Diese [NbO₆] verknüpfen über gemeinsame Ecken zu einem dreidimensionalen Netzwerk. In den Lücken des Netzwerks befinden sich die Li -Kationen die ihrerseits von je zwölf Sauerstoffatomen umgeben sind. Die Koordinationszahl von 12 kann als 6 6 beschrieben werden, da sechs der Sauerstoffatome einen deutlich größeren Abstand zu Lithium haben. Als Koordinationspolyeder ergibt sich für Lithium ein stark verzerrtes Antikuboktaeder.

Physikalische Eigenschaften

Lithiumniobat kristallisiert als farbloser Festkörper mit einem weiten Transparenzbereich beginnend im nahen UV- bis in den mittleren IR-Bereich entsprechend Wellenlängen von 320 bis 5600 nm. Lithiumniobat ist doppelbrechend und hat bei 633 nm Brechungsindices von n_o = 2,286 und n_e = 2,202.

Die Kristalle haben eine Mohs-Härte von 5. Lithiumniobat zeigt eine Anzahl physikalischer Effekte: die stöchiometrische Zusammensetzung (LiNbO₃) ist unterhalb der Curie-Temperatur T_c von 1213 °C (1486 K) ferroelektrisch und dadurch optisch nichtlinear, elektrooptisch, photorefraktiv, elastooptisch, piezoelektrisch und pyroelektrisch. Die ferroelektrische Curie-Temperatur ist abhängig von der Zusammensetzung, so beträgt sie für die kongruente Zusammensetzung (hergestellt aus 48,45 % Li₂O, 51,55 % Nb₂O₅) 1143 °C (1416 K). Oberhalb der Curie-Temperatur verliert das Material die ferroelektrischen Eigenschaften und geht in die paraelektrische Phase (Raumgruppe R3c (Nr. 167)Vorlage:Raumgruppe/167) über.

Herstellung

Lithiumniobat kann zum Beispiel durch Festkörper- oder Schmelzenreaktion von Lithiumcarbonat mit Niob(V)-oxid gewonnen werden.

${\displaystyle {\ce {Li2CO3 Nb2O5 -> 2LiNbO3 CO2 ^}}}$

Nanoteilchen

Nanoteilchen von Lithiumniobat werden durch Imprägnierung von porösen Trägersubstanzen durch Lösungen von Metallsalzen mit anschließender Kalzinierung und Auflösung der Trägermatrix oder durch hydrothermale Verfahren hergestellt. Sphärische Nanopartikel mit einem Durchmesser von 10 nm können durch Imprägnierung einer mesoporösen Silikatmatrix mit einer wässrigen Lösung aus LiNO₃ und NH₄NbO(C₂O₄)₂ und anschließendem zehnminütigen Erhitzen in einem Infrarot-Ofen hergestellt werden.

Einsatzgebiete

• Interdigitaltransducer und darauf basierend
• Bandpassfilter (Oberflächenwellenfilter) in Hochfrequenz-Schaltungen, z. B. Mobiltelefonen und Fernsehern
• Laser
• Modulatoren
• Integrierte Optik
• Holographie

Ähnliche Verbindungen

Das Lithiumtantalat LiTaO₃ kristallisiert isotyp zu LiNbO₃, das heißt, es hat die gleiche Kristallstruktur.

Siehe auch

• Kaliumniobat
• Natriumniobat

Literatur

• A. M. Prokhorov, Yu S. Kuz'minov: Physics and Chemistry of Crystalline Lithium Niobate. Institute of Physics Publishing, 1999, ISBN 0-85274-002-6. 
• A. Räuber: Chemistry and physics of lithium niobate. In: Current Topics in Materials Science. Band 1. Elsevier Science Publishing, 1978, ISBN 0-7204-0708-7, S. 481–601. 
• R. S. Weis, T. K. Gaylord: Lithium niobate: Summary of physical properties and crystal structure. In: Applied Physics A: Materials Science & Processing. Band 37, Nr. 4, 1985, S. 191–203, doi:10.1007/BF00614817. 

Einzelnachweise