Lithiumniobat

Kristallstruktur
	_ Li+ 0 _ Nb5+0 _ O2−
Kristallsystem	trigonal
Raumgruppe	R3c (Nr. 161)
Gitterparameter	a = 515 pm; c = 1386 pm
Koordinationszahlen	Li[12] (6+6), Nb[6], O[6] (4+2)
Allgemeines
Name	Lithiumniobat
Andere Namen	Lithium-Niob-Oxid
Verhältnisformel	LiNbO3
Kurzbeschreibung	weißlicher, geruchloser Feststoff[1]
Externe Identifikatoren/Datenbanken
EG-Nummer	234-755-4
ECHA-InfoCard	100.031.583
PubChem	159404
ChemSpider	10605804
Wikidata	Q424481
Eigenschaften
Molare Masse	147,85 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	4,64 g·cm−3[2]
Schmelzpunkt	1275 °C[1]
Brechungsindex	2,2871[3] (23 °C)
Sicherheitshinweise
GHS-Gefahrstoffkennzeichnung [1]	keine GHS-Piktogramme
	keine GHS-Piktogramme
H- und P-Sätze	H: keine H-Sätze
	P: keine P-Sätze [1]
Toxikologische Daten	8000 mg·kg−1 (LD50, Ratte, oral)[1]
	Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen. Brechungsindex: Na-D-Linie, 20 °C

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.[4] 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)[5] 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).[5] Oberhalb der Curie-Temperatur verliert das Material die ferroelektrischen Eigenschaften und geht in die paraelektrische Phase (Raumgruppe R3c (Nr. 167)Vorlage:Raumgruppe/167) über.[6]

Herstellung

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

{\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.[7]

Einsatzgebiete

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

Siehe auch

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

Datenblatt Lithium niobium oxide, Puratronic®, 99.998% (metals basis excluding Ta), Ta <50ppm bei AlfaAesar, abgerufen am 6. Dezember 2019 (PDF) (JavaScript erforderlich).
Lithium Niobate, LiNbO3 bei Almaz Optics, abgerufen am 23. August 2011.
A. Alcázar de V., B. Ramiro, J. Rams, B. Alonso, G. Rojo, V. Bermúdez, J.M. Cabrera: Temperature effects in proton exchanged LiNbO3 waveguides. In: Applied Physics B. Band 79, Nr. 7, 2004, S. 845–849, doi:10.1007/s00340-004-1646-8.
R. Hsu, E. N. Maslen, D. du Boulay, N. Ishizawa: Synchrotron X-ray Studies of LiNbO₃ and LiTaO₃. In: Acta Crystallographica Section B Structural Science. Band 53, Nr. 3, Mai 1997, S. 420–428, doi:10.1107/S010876819600777X.
K. K. Wong: Properties of Lithium Niobate. Emis. Datareviews Series, No. 28, London 2002, ISBN 0-85296-799-3.
H. Lehnert, H. Boysen, F. Frey, A. Hewat, P. Radaelli: A neutron powder investigation of the high-temperature structure and phase transition in stoichiometric LiNbO3. In: Zeitschrift für Kristallographie. Band 212, Nr. 10, 1997, S. 712–719, doi:10.1524/zkri.1997.212.10.712.
Annett Grigas und Stefan Kaskel:: Synthesis of LiNbO₃ nanoparticles in a mesoporous matrix. In: Open Access Beilstein Journal of Nanotechnology. Band 2, 2011, S. 28–33, doi:10.3762/bjnano.2.3.

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[alfa-1] Datenblatt Lithium niobium oxide, Puratronic®, 99.998% (metals basis excluding Ta), Ta <50ppm bei AlfaAesar, abgerufen am 6. Dezember 2019 (PDF) (JavaScript erforderlich).

[almaz-2] Lithium Niobate, LiNbO3 bei Almaz Optics, abgerufen am 23. August 2011.

[3] A. Alcázar de V., B. Ramiro, J. Rams, B. Alonso, G. Rojo, V. Bermúdez, J.M. Cabrera: Temperature effects in proton exchanged LiNbO3 waveguides. In: Applied Physics B. Band 79, Nr. 7, 2004, S. 845–849, doi:10.1007/s00340-004-1646-8.

[4] R. Hsu, E. N. Maslen, D. du Boulay, N. Ishizawa: Synchrotron X-ray Studies of LiNbO₃ and LiTaO₃. In: Acta Crystallographica Section B Structural Science. Band 53, Nr. 3, Mai 1997, S. 420–428, doi:10.1107/S010876819600777X.

[Wong-5] K. K. Wong: Properties of Lithium Niobate. Emis. Datareviews Series, No. 28, London 2002, ISBN 0-85296-799-3.

[Lehnert-6] H. Lehnert, H. Boysen, F. Frey, A. Hewat, P. Radaelli: A neutron powder investigation of the high-temperature structure and phase transition in stoichiometric LiNbO3. In: Zeitschrift für Kristallographie. Band 212, Nr. 10, 1997, S. 712–719, doi:10.1524/zkri.1997.212.10.712.

[7] Annett Grigas und Stefan Kaskel:: Synthesis of LiNbO₃ nanoparticles in a mesoporous matrix. In: Open Access Beilstein Journal of Nanotechnology. Band 2, 2011, S. 28–33, doi:10.3762/bjnano.2.3.