Lithiumniobat

Kristallstruktur
__ Li+     __ Nb5+     __ O2−
Kristallsystem	trigonal
Raumgruppe	$R3c\ \mathrm{H}\;$
Gitterkonstanten	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
CAS-Nummer	12031-63-9
Kurzbeschreibung	weißlicher, geruchloser Feststoff[1]
Eigenschaften
Molare Masse	147,85 g·mol−1
Aggregatzustand	fest
Dichte	4,64 g·cm−3 [2]
Schmelzpunkt	1275 °C[1]
Sicherheitshinweise
EU-Gefahrstoffkennzeichnung [1] keine Gefahrensymbole R- und S-Sätze R: keine R-Sätze S: keine S-Sätze
LD50	8000 mg·kg−1 (Ratte, peroral)[1]
Soweit möglich und gebräuchlich, werden SI-Einheiten verwendet. Wenn nicht anders vermerkt, gelten die angegebenen Daten bei Standardbedingungen.

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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 $R3c\ \mathrm{H}\;$ (H, steht hierbei für die hexagonale Aufstellung der Elementarzelle) mit den Gitterparametern a = 515 pm und c = 1386 pm sowie sechs Formeleinheiten pro Elementarzelle.^[3] 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 Brechzahlen 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 (50 % Li₂O, 50 % Nb₂O₅) ist unterhalb der Curie-Temperatur T_c von 1213 °C (1486 K) ^[4] 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 (48,45 % Li₂O, 51,55 % Nb₂O₅) 1143 °C (1416 K).^[4] Oberhalb der Curie-Temperatur verliert das Material die ferroelektrischen Eigenschaften und geht in die paraelektrische Phase (Raumgruppe $R \bar 3 c$) über.^[5]

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.^[6]

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 0852740026.
• A. Räuber: Chemistry and physics of lithium niobate. In: Current Topics in Materials Science. 1, Elsevier Science Publishing, 1978, ISBN 0720407087, 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. 37, Nr. 4, 1985, S. 191–203, doi:10.1007/BF00614817.

Einzelnachweise

1. ↑ ^{a b c d} Datenblatt Lithiumniobat bei AlfaAesar, abgerufen am 7. Januar 2010 (JavaScript erforderlich)..
2. ↑ Lithium Niobate, LiNbO3 bei Almaz Optics, abgerufen am 23. August 2011.
3. ↑ 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. 53, Nr. 3, Mai 1997, S. 420–428, doi:10.1107/S010876819600777X.
4. ↑ ^{a b} K. K. Wong: Properties of Lithium Niobate. Emis. Datareviews Series, No. 28, London 2002, ISBN 0852967993.
5. ↑ 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. 212, Nr. 10, 1997, S. 712–719, doi:10.1524/zkri.1997.212.10.712.
6. ↑ Annett Grigas und Stefan Kaskel:: Synthesis of LiNbO₃ nanoparticles in a mesoporous matrix. In: Open Access Beilstein Journal of Nanotechnology. 2, 2011, S. 28–33, doi:10.3762/bjnano.2.3.