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光电显示材料 目录 1概述2光电显示物理基础3光电显示材料和器件的基本特性4发光显示材料5受光显示材料6光电显示材料的发展前景 1概述 将各种形式的信息 如文字 数据 图形 图像和活动图像 作用于人的视觉而使人感知的手段称为信息显示技术 最常用的静止信息的显示手段有打印机 复印机 传真机和扫描仪等 一般称为信息的输出和输入设备 为提高分辨率以及输入和输出的速度 需要发展高灵敏和稳定的感光材料 例如 激光打印机和复印机上感光鼓的材料 目前使用的是无机的硒合金和有机的酞菁染料 一方面需不断完善它们的性能 另一方面还应致力于发展新的感光材料 2光电显示物理基础 一 光辐射与光 二 半导体的辐射跃迁 本征辐射跃迁 电子从导带跃迁至价带直接跃迁和间接跃迁 直接跃迁几率比间接跃迁几率大得多 发光器件多采用直接跃迁半导体 辐射跃迁 伴随有发射光子的电子跃迁 2 激子辐射复合 1 自由激子 直接带隙半导体 间接带隙半导体 2 束缚激子 3 能带与杂质能级之间的辐射跃迁 1 浅跃迁 2 深跃迁 4 施主与受主间的辐射跃迁 被施主束缚的电子和被受主束缚的空穴相复合 三 半导体的无辐射复合 1 俄歇复合 由三个载流子 如两个电子和一个空穴或两个空穴和一个电子 的相互作用 即发生碰撞所引起 2 表面复合两种表面态 半导体少数载流子在表面消失的现象 3 通过缺陷或掺杂物的复合 4 多声子复合 受激电子的能量转变为晶格振动的能量 需要以较高的几率发射出一定数目的声子 四 发光 发光的分类 按激发停止后余辉的长短 荧光 余辉时间 10 8s磷光 余辉时间 10 8s 1 光致发光 受入射光的激发而产生 2 化学发光 某些化学反应中释放的能量可以转变为光能 3 摩擦发光 机械作用所引起的发光 机械压力作用下由于压电效应可以形成局部电场 在局部电场作用下可以发生齐纳击穿 从而产生电子 空穴对 然后它们复合时可以发射出光子 4 阴极射线发光 在高能电子束 阴极射线作用之下固体的发光 5 电致发光 在直流或交流电场直接作用下引起的发光 按激发方式 3光电显示材料和器件的基本特性 一 显示材料特性 发光显示材料 利用光发射直接进行显示 受光显示材料 利用电场作用下材料光学性能的变化实现显示 通过反射 散射 干涉等现象 对其它光源所发出的入射光进行控制 即通过光交换进行显示 二 光电显示的分类 二 光电显示的分类 三 显示器件的基本特征 1亮度 指显示器件的发光强度 它是指垂直于光束传播方向单位面积上的发光强度 单位为cd m2 发光式显示器件和受光式液晶显示器件均采用亮度参数 但受光式 反射式显示器件以反射光的强度表示明亮度 2发光效率 指显示器件辐射出的单位能量 W 所发出的光通量 单位为lm W 一般器件0 1 1 5lm W 真空荧光显示1 10lm W 3对比度 表示显示部分的亮度和非显示部分的亮度之比 在室内照明条件下对比度达到5 1 基本上满足显示要求 4分辨率 包括像元密度和器件包含的像元总数 CRT分辨率达到100 110ppi 每英寸像元数 时 再提高有难度 因受电子束聚焦有限性和发光粉颗粒及发光效率等因素的影响 LCD分辨率已达到300ppi 还有潜力再提高 5灰度 表示屏上亮度的等级 以亮度的倍的发光强度的变化划分等级 灰度越高 图像层次越分明 彩色显示中颜色更丰富 图像更柔和 6响应时间 余辉时间 响应时间表示从施加电压到显示图像所需要的时间 切断电压后到图像消失所需要的时间称为余辉时间 发光器件和铁电液晶响应时间一般为微秒量级 视频图像显示要求响应时间和余辉时间加起来小于50ms才能满足帧频的要求 7寿命和稳定性 发光显示器件初发始亮度衰减一半所需时间称为半寿命 一般即指寿命 受光显示器件的主要显示指标保持正常的时间为使用寿命 同时湿度 温度 紫外光等环境状态和稳定性是很重要的参数 8色彩 显示颜色分为黑白 单色 多色 全色 显示颜色是衡量显示器件性能优劣的重要参数 发光显示以红光 绿光 蓝光三基色加法混色得到CIE色度图舌形曲线上任意颜色 复合光光谱丰富程度取决于三基色发光光谱纯度和饱和度以及三基色发光像元的灰度级别 CRT LCD及PDP已可显示几百万种颜色 达到全色显示要求 液晶显示色彩靠背照明冷阴极灯白光和三基色滤光膜相匹配得到CIE色度图舌形曲线饱和区 实现了全色显示 9视角 在受光式被动显示中 观察角度不同 对比度不同 在液晶显示中视角问题特别突出 由于液晶分子具有光学各向异性液晶分子长轴和短轴方向光吸收不同 因而引起对比度不同 但采用多种办法已解决了这个问题 在发光式主动显示中几乎不存在视角问题 因为像元就是光辐射源 光空间分布是均匀的 视角大又均匀 10工作电压和功耗 驱动显示器件所施加的电压为工作电压 工作电压与器件消耗电流的乘积为功耗 要求工作电压低 功耗少 并容易与集成电路匹配 参数 器件 大屏幕 全色 视角 空间 分辨率 对比度 功耗 工作电压 表各种光电显示器件性能 注 优 良 差 很差 LCD的 指LCD直视显示大屏幕难 投影显示大屏幕容易 4发光显示材料 一 电子束激发的发光材料 又称阴极射线发光材料 在显示领域占统治地位主要用途 电视 示波器 雷达 投影管 飞机上的平视仪及大屏幕显示等 分类 阴极射线管CRT 真空微显示器FED 真空荧光显示VFD 1 机理 CRT 热阴极 在真空中从阴极出来的电子经加速后轰击荧屏所发出的光 阴极射线的电子在阳极电压的加速下 可以达到几到几万电子伏的能量 每个初级电子进入发光材料后 沿着其途径还会产生二次电子 二次电子还可以与晶格碰撞产生新的二次电子 因而产生的二次电子的密度是非常大的 这些二次电子最终会激发发光 FED 不用热阴极 将强电场集中在阴极上面的圆锥形发射极上 通过电场使电子发射到真空中 冷阴极 VFD 当磷光体被低速电子流激发时会产生发光现象 VFD选择性地施加电压于栅极和阳极上 当对涂有氧化材料的阴极加热时 它在近650 时发射出热电子 它们被金属网栅极所加速 再轰击阳极的磷光物质而使之发光 不同之处 加速电压 CRT 15 30kV FED 300V 8kV VFD 20 100V 电流密度 CRT 低10mA cm2 FED 高100mA cm2 阴极结构和材料 CRT 热阴极 FED 平面阵列的微尖冷阴极 金刚石薄膜 硅单晶 金属钼等 发光材料 CRT和FED所用材料范围较广 VFD用磷光材料 主要用ZnO Zn 应用 CRT和FED范围较广 VFD多用于数字和文字 FED和VFD为平板显示 二 发光材料 CRT荧光粉 具有高的发光效率和各种发光谱 包括可见区 紫外区和红外区 杂质 1 猝灭剂 损害发光性能使发光亮度降低的杂质 Fe Co Ni是典型代表 2 激活剂 对某种特定的化合物起激活作用 使原来不发光或发光很微弱的材料发光 这类杂质叫该化合物的激活剂 它是发光中心的主要组成部分 如硫化物的激活剂元素是Cu Ag Mn等 稀土荧光粉的激活剂有Ce Pr Nd Sm Eu Tb Dy Ho Er Tm等 一种发光材料可以同时含两种激活剂 3 共激活剂 与激活剂协同激活基质的杂质 如ZnS Cu Cl和ZnS Cu Al中的Cl Al3 就是Cu的共激活剂 当Cu 替换ZnS中的Zn2 时 Cl 和Al3 都起电荷补偿作用 使Cu容易进入基质 4 敏化剂 有助于激活剂引起的发光 使发光亮度增加的杂质 敏化剂与共激活剂的作用效果一样 但两者的作用原理不同 如上转换材料YF3 Yb Er中Yb是敏化剂 Er是激活剂 通过Yb3 吸收激发能 把能量传给Er3 发光 5 惰性杂质 指对发光性能影响较小 对发光亮度和颜色不起直接作用的杂质 如碱金属 碱土金属 硫酸盐和卤素等 色坐标 色彩是红 绿 蓝三基色混合得到的 这三种基色在CIE色坐标图中构成一个三角形 红 绿 蓝三点越接近曲线边缘 颜色越纯 即颜色越正 色饱和度越好 我国彩色电视的制式是PAL制 白场色温为D6500 三基色材料的色坐标必须适合PAL制的要求 同时在保证色坐标的前提下 每一单色荧光粉的发光效率要高 当激发红 绿 蓝三基色发光粉的三束电流比在显示白场时 要接近1 1 1 3 材料制备工艺 以Y2O3 Eu为例 首先 按分子式 Y0 96Eu0 04 2O3配好料 与适量的助熔剂 如NH4Cl Li2SiO3等 混磨均匀 装入石英坩埚或氧化铝坩埚中 在1340 下灼烧1 2h 温度可根据助熔剂的情况适当选择 时间可视装料多少而定 高温出炉 冷至室温 在253 7nm紫外光激发下选粉 用去离子水洗至中性 然后进行包膜处理 因为用Y2O3 Eu涂屏时 要与聚乙烯醇和重铬酸铵涂覆液混合 若不包膜处理 Y2O3 Eu将被水解而发生化学变化 三 发光二极管 1 材料特性和发光机理 发光机理 施加正向电压时 通过p n结分别把n区的电子注入到p区 p区空穴注入到n区 电子和空穴复合而发光 高效率发光应自备的三个条件 1 容易控制材料的导电性 族材料导电性较好 且容易做成p型或n型结 族材料的导电性不好控制 2 对发射光的透明性好当能量低于吸收端时 光可以透过 当能量高于吸收端时 不能透过 禁带宽度可通过三元系或四元系混晶方法在一定范围内可调 3 发光跃迁几率高直接跃迁 等电子陷阱束缚激子发光 间接跃迁 2 材料制备 1 水平布利兹曼法和液封法生长GaAs单晶2 外延生长技术 液相外延 气相外延 分子束外延 金属有机化合物化学淀积 1 PDP的定义 等离子体显示板 plasmadisplaypanel 利用气体放电发光进行显示的平面显示板 可以看成是由大量小型日光灯并排构成的 四 等离子体显示 PDP 材料 2 PDP工作原理 在PDP中 有数百万个如上所述的微小荧光灯 即放电胞 真空放电胞中封入的气体 一般采用Ne和Xe 或He和Xe Xe辐射147nm紫外光 的混合惰性气体 放电胞内壁涂覆的荧光体并不是发白光 而是红 绿 蓝三原色光 对放电胞施加电压 放电胞中发生气体放电 产生等离子体 等离子体产生的紫外线照射胞内壁上涂覆的荧光体 产生可见光 三原色巧妙地混合 对于视者来说 产生丰富多彩的颜色 3 三基色荧光粉应满足的条件 1 在真空紫外区高效发光 是高分辨率显示和高亮度显示的关键 2 在同一放电电流时 通过三基色荧光粉发光混合获得白色光 3 三基色荧光粉具有鲜明的色彩度 4 在真空紫外光和离子轰击下稳定性好 5 涂粉和热处理工艺具有稳定性 6 余辉时间短 电视显示用三基色荧光粉 4 三基色荧光粉的转换效率 一般 一个激发光子照射一个荧光粉颗粒 辐射一个可见光光子 可是 如果激发光子能量为8 55eV 可见光子能量为2 2 8eV 能量转换效率为27 很低 因此 要研究高能光子转换材料 即能转换2个或更多个低能光子的荧光材料 近年来研究出掺Pr氟化物 这种材料在高能光子激发下能产生多个低能光子 5 荧光粉制备 同CRT荧光粉 6 基板材料 PDP是由两块玻璃基板夹着惰性气体和三基色荧光粉构成的 PDP屏幕尺寸大 又加上制造过程中玻璃基板要经过一系列的厚膜印刷和高温烧结 因此对玻璃基板要求高 通常烧结温度在450 600oC之间 封接温度为380 400oC 排气最高温度为350oC 这样 烧结温度高于玻璃应变点 导致玻璃基板产生弯曲 不规则形变和热收缩 例如 对角线为1m的彩色PDP中 玻璃基板百万分之二十的热形变就会产生至少一个像元的完全错位 当前 PDP使用日本旭硝子公司PD200和美国康宁公司CS25玻璃 几种玻璃的性能比较 5受光显示材料 液晶显示材料 液晶 晶体和液体之间的中间态 1 液晶分子结构和分类 按分子几何形状 棒状分子 板状分子 碗状分子 按液晶形成的条件和组成 热致液晶 包括向列相 胆甾相 近晶相 和溶致液晶 液晶显示主要利用棒状分子液晶 棒状液晶分子是由中心部和末端基团组成的 中心部 苯环 联苯环 环已烷 嘧啶环 醛环等末端基团 烷基 烷氧基 酯基等 有极性 1 热致液晶相 1 向列相 大体上平行排列 黏度相对较小 在液晶显示中有较大的用途 2 胆甾相液晶 与近晶相液晶同样形成层状结构 分子长轴在层面内与向列液晶相同呈平行排列 但是相邻层面间分子长轴的取向方位多少有些差别 整个液晶形成螺旋结构 3 近晶相液晶 棒状分子排成层状结构 构成分子相互平行排列 与层面近似垂直 这种分子层间的结合较弱 层与层间易于相互滑动 因此 层列液晶显示出二维液体的性质 由于该类液晶的黏度较大 液晶显示中一般不采用这种液晶 2 液晶显示的优缺点优点 功耗低 所用电压低 在明亮的环境下对比度和分辨率都不错 缺点是响应速度慢 工作温度范围比较窄 在无光环境下不能显示 3 液晶材料产生彩色的方式 在外部电场的作用下 使材料的分子排列从初始状态变到另一种状态 材料的光学性质发生变化 通过这种变化改变着色颜色 彩色的形成依靠外界因素 如采用三基色的电子束作光源 使用双折射薄膜等方式实现彩色显示 此时液晶功能通过以下4类组合来实现液晶的彩色显示 液晶的光学性质由于液晶具有折射率各向异性 使得液晶具有以下的光学性质 而这些性质是液晶工作原理的基础 1 使