光电材料全培训课件

1、第三章 光电显示材料信息功效材料光电材料全第1页1.1 概 述信息显示技术：将各种形式信息(如文字、数据、图形、图像和活动图像)作用于人视觉而使人感知伎俩。惯用信息显示伎俩：静态：打印机、复印机、传真机和扫描仪等，普通称为信息输出和输入设备。动态：阴极射线管(CRT)、液晶显示(LCD)、场致发射显示(FED)、等离子体显示(PDP) 、 发光二极管显示(LED) 、有机发光显示(OLED)技术等。光电材料全第2页阴极射线管(CRT)在20世纪初出现，成为活动图像主要显示伎俩。传统阴极射线发光材料如三基色：红(Y2O2S:Eu)、蓝(ZnS:Ag)和绿(ZnS:Cu,Al)材料，还需提升纯度，

2、以增强显示亮度和色彩质量。平板显示技术近年来发展关键是处理体积过大问题，出现了：液晶显示（LCD, Liquid Crystal Display）技术、场致放射显示（FED, Field Emission Display）技术、等离子体显示（PDP, Plasma Display Panel）技术和发光二极管显示（LED, Light Emitting Diode）技术等。在高清楚电视、可视电话、计算机、车用及个人数字化终端显示等应用目标推进下，显示技术正向高分辨率、大显示容量、平板化和大型化方向发展。光电显示材料发展光电材料全第3页3.2 光电显示物理基础物理过程光电/电光转换：由载有信息光

3、子群组成光信号变换为由载有信息电子组成电信号(或反之)过程。光电效应半导体对光辐射吸收和由此引发半导体性能改变；电光效应半导体中光辐射产生及电作用对于发光激发；半导体辐射跃迁是半导体光电/电光转换物理基础。辐射跃迁：由电信号变换为光信号发光过程；无辐射跃迁：俄歇（Auger）复合、表面复合等； 影响半导体发光效率 ！光电材料全第4页一、光辐射与光光辐射是电磁辐射，含有波粒二象性波动性和粒子性：光波动性：能够解释反射、折射、衍射和偏振等现象。光粒子性：可解释吸收、发射和光电效应等现象。光电子器件实现光电转换，主要包括光辐射和半导体相互作用；显示技术中主要考虑光粒子性。可见光是波长范围很窄一部分光

4、辐射，其颜色决定于光波长。白光是各种单色光混合光。光辐射频段由紫外辐射、可见光和红外辐射三部分组成。波长小于390nm是紫外辐射，波长为390770nm属可见光，波长大于770nm是红外辐射。辐射电磁波谱：光电材料全第5页依据光粒子性：光与材料发生作用时是以不能再细分微粒即光量子为单位进行,光强度大小与光子数成正比。单个光子能量： E = h 光波长0与能量关系能够近似地表示为： 可见，光子能量越大，波长就越短。可见光从红光到紫光光子能量范围是1.63.2eV；通常光辐射光子能量范围为1.2410-31.24102eV。光电材料全第6页同时光子也含有一定动量 P，即式中h普朗克常数；k光子波矢

5、。 另外，当光子与其它微观粒子（如电子）相互作用时，应该同时满足能量守恒定律和动量守恒定律，并由此来决定相关电子跃迁过程。光子以光速运动。光子含有一定运动质量，其大小与光频率或波长0相关： 光电材料全第7页二、半导体辐射跃迁 辐射跃迁：伴随有发射光子电子跃迁。它是与吸收跃迁相反过程。当电子从较高能级跃迁到较低能级时，这两个能级能量差能够由电磁辐射形式发射出来。在辐射跃迁中作为初态较高能级和作为终态较低能级是各式各样，能够是基本能带能态，也能够是杂质能级，或者一个是能带能态，另一个是杂质能级。各种不一样辐射跃迁机理就是由这些能态不一样情况决定。1、本征辐射跃迁发生辐射跃迁条件：系统处于非平衡状态

6、。若某种产生非平衡载流子激发作用于半导体，要首先考虑本征辐射跃迁。本征辐射跃迁：指电子从导带至价带带间辐射跃迁。 光电材料全第8页依据半导体能带结构不一样，本征辐射跃迁分为直接跃迁和间接跃迁两种。1、直接辐射跃迁： 因为直接带隙半导体吸收系数较大，与之成正比辐射强度也较强。从而，很多发光器件是采取直接带隙半导体制造。光电材料全第9页2、间接辐射跃迁 在间接带隙半导体中,可发生从导带全部被占态至价带空态辐射跃迁。但为了满足动量守恒，必须包括中间过程。可能性最大满足动量守恒中间过程是发射声子（或吸收声子）间接辐射跃迁。间接跃迁发射光谱特点为间接带隙半导体吸收系数大致上与(h-Eg)2成正比。光电材

7、料全第10页直接跃迁与间接跃迁区分：在能量超出辐射阀值时二者增加速率不一样（间接跃迁较快,如图），但因为间接跃迁几率要比直接跃迁几率小多，所以间接跃迁辐射强度要比直接跃迁要弱多。自吸收（或再吸收）：半导体对于自己本征辐射吸收作用。自吸收会影响出射光谱形状。在间接带隙半导体中，存在直接本征辐射自吸收过程。在理论上，考虑到自吸收或再吸收，通常要将本征辐射区辐射强度与波长关系做一定修正。光电材料全第11页例：锗出射本征复合发射光谱（厚度为1.310-3cm 样品）：曲线1是出射光谱试验曲线，在=1.75m处出现一个辐射峰。该峰决定于由导带L能谷至价带顶间接辐射跃迁。该曲线与理论曲线不完全符合！理论计

8、算得到发射光谱曲线，除了波峰外，在=1. 52m处还应该有一个更强辐射峰。对自吸收进行修正后发射光谱曲线2与理论曲线一致。在=1.52m处辐射峰可能是由导带T能谷至价带顶直接辐射跃迁所引发。从曲线1可见，尽管直接跃迁产生较高能量光子被强烈地自吸收，但在样品很薄时，还是能够检测到一部分较高能量辐射。这是因为直接跃迁几率比间接跃迁几率要高多原因。光电材料全第12页2.激子辐射复合（1）自由激子自由激子：假如激子能够在晶体中运动而不形成电流激子。假如半导体受到外加激发时形成自由激子，而材料又足够纯净，则在低温时这些自由激子能够以一定寿命存在，在激子湮没(即复合而消失)时，其能量能够转化为光能即发射光

9、子。这时在发射光谱(hEg处)上能够见到窄辐射谱线。这就是激子辐射复合。激子在光子作用下，价带电子受到激发但尚不能进入导带成为自由电子，即依然受到空穴库仑场作用，形成相互束缚受激电子空穴对，对外呈中性，这种彼此相互束缚受激电子和空穴组成系统称为激子。光电材料全第13页在直接带隙半导体中：自由激子复合经过直接辐射跃迁所发射光子能量为 h=Eg-Ex 式中Ex 自由激子束缚能或离解能。激子受激状态离解能为n=1激子基态离解1/n2。在n=时离解能为零。使得自由激子复合所产生光辐射能够由一系列窄谱组成。随n增加，辐射谱线快速减弱，同时当存在别辐射过程时难以分辨出这些n大激子辐射（如低温时在高纯砷化钾

10、光致发光光谱上仅识别到了 n=1和n=2自由激子复合耦合辐射谱线）。光电材料全第14页在间接带隙半导体中： 动量守恒要求激子复合跃迁必须附带发射声子。这时所发射光子能量应为 h=Eg-Ex-Ep 使得在间接带隙半导体激子复合发射光谱中观察不到无声子谱线。附带发射声子间接跃迁不但发生于间接带隙半导体自由激子复合中，而且也经常发生在大多数直接带隙半导体自由激子复合中。间接跃迁中激子热动量交给声子。在这么间接跃迁中能够发射一个或多个声子。光电材料全第15页(2) 束缚激子如果激子局限于某个中心附近，则称为束缚激子。半导体中存在杂质时，可以形成束缚激子。组成这种激子电子和空穴局限于杂质中心附近，而不能

11、在晶体中自由运动。受到电离施主或受主束缚激子可认为由空穴与中性施主或电子与中性受主形成。如果在杂质中心同时合并电子和空穴，则形成束缚于中性施主或受主激子。谱线特点：1、束缚激子进行辐射复合时,可以产生对应辐射谱线。因为束缚激子不能在晶体中运动，其动能接近于零，所以，一般束缚激子辐射谱线比自由激子要窄得多（如，在GaAs中束缚于浅杂质激子谱线宽度约0.1meV，而自由激子约1meV）。2、与自由激子不一样，束缚激子辐射谱线宽度不随温度变化。3、束缚激子基态能级位于自由激子基态能级之下，因而，在其他条件相同情况下，束缚激子辐射谱线相对于自由激子谱线向波长较长方向移动。光电材料全第16页3.能带与杂

12、质能级之间辐射跃迁(1) 浅跃迁电子从导带至电离浅施主或从电离浅受主至价带辐射跃迁。由杂质电离能决定发射光子波长位于远红外区.实际观察到如锗与浅杂质态相关辐射复合辐射功率很小(310-12W)，表明跃迁中除辐射跃迁外，还可能有发射声子无辐射跃迁。计算表明，无辐射跃迁几率要比辐射跃迁几率大多，它能够成为浅跃迁主要机理。结果：复合时只有极小部分能量转变为光能。机理：在无辐射跃迁过程中(以施主杂质为例)，首先导带电子被俘获于施主中心较高受激态，然后在逐步跃迁到较低能态，再向下每一步跃迁同时发射声子。光电材料全第17页(2) 深跃迁深跃迁指是导带向受主能级或者从施主能级向价带跃迁。与导带至价带本征跃迁

13、相比，深跃迁几率要低多。大多数直接带隙半导体电子有效质量比空穴有效质量小得多，所以，施主电离能小于受主电离能：能够经过发射光谱上辐射峰位置来区分两种深跃迁:从导带至受主能级辐射跃迁，产生能量较低辐射峰;从施主能级至价带辐射跃迁，产生能量较高辐射峰。光电材料全第18页4. 施主与受主间辐射跃迁若在半导体中既存在施主杂质又存在受主杂质，就有可能发生施主与受主之间辐射跃迁被施主束缚电子和被受主束缚空穴相结合，同时发射出能量低于半导体禁带宽度光子。这是一个主要半导体发光机制。尤其是对于间接带隙半导体来说，因为只能利用与杂质相关发光机制，其中包含施主与受主间跃迁辐射。当前有二极管(比如GaP发光二极管)

14、只是利用了这种辐射跃迁来发光。因为这种辐射复合是以同时存在施主和受主杂质为必要条件，而详细复合过程是在成正确施主与受主之间发生，所以常称为施主受主对辐射复合。光电材料全第19页施主受主对辐射机理含有三个主要特征:一是假如施主或受主能级不深，这种辐射跃迁能够在施主与受主间距离范围很宽对中发生；二是复合时所发射光子能量为施主-受主对与距离r函数(h=E(r)，且随距离减小而增加；三是辐射跃迁几率W(r)随距离增加而降低。这些特征造成在发射光谱上表现出特有光谱结构特征：1、在发射光谱上能够同时观察到尖细分离谱线和宽辐射带，当激发停顿后，发光衰减时，辐射带峰随时间而移向较低能量值。2、连续激发时，辐射

15、带峰随激发强度增加而向较高能量方向移动。3、施主受主对复合发射光谱形态和辐射带峰能量位置随温度而改变。光电材料全第20页半导体中，在辐射复合同时也经常发生无辐射复合，而且有些情况下无辐射复合能够是主要复合过程。有时辐射内量子效率能够比1小得多，甚至小微不足道。对应自由载流子寿命也比考虑辐射复合过程时要低几个数量级（如，室温时理论计算纯锗辐射复合寿命为0.3s，但实际测得寿命为毫秒数量级，有时甚至低于1s。因而在锗中存在无辐射复合过程可能性比辐射复合最少要大1000倍）。在研究半导体中电子和空穴正确复合问题时，不但需要考虑辐射复合，而且需要考虑无辐射复合。在复合机理研究方面含有主要理论意义，对提

16、升材料与器件辐射效率也有一定实际意义。 三. 半导体无辐射复合 光电材料全第21页无辐射复合过程了解是比较困难：1、无辐射复合机理不清：辐射复合定义十分清楚，是指在跃迁过程中伴有发射光子复合，其由跃迁过程所包括初态决定机理也很清楚。不过无辐射复合却只是比较含糊地指某种不发射光子复合过程，至于复合机理以及能量什么方式释放，则比较复杂。2、无辐射复合过程研究比较困难：假如说每一个辐射跃迁机理为发射光性质带来一定特征，从而能够进行观察话，对于无辐射，则几乎没有直接特征能够观察，往往只能依据一些间接数据(比如,辐射效率降低.载流子寿命缩短以及复合过程受温度或载流子浓度影响等)来分析。光电材料全第22页

17、半导体无辐射复合过程分类：1. 俄歇复合（也称为碰撞复合、俄歇效应或俄歇过程）:俄歇复合是由三个载流子(如两个电子和一个空穴或两个空穴和一个电子)相互作用（即发生碰撞）所引发。一个电子和一个空穴相复合时，所释放出能量及动量交给第三个载流子，它能够经过发射声子将此能量耗散，或者引发其它效应（与碰撞复合相反过程是碰撞电离，含有足够动能电子或空穴会产生新电子空穴对或使杂质电离）。1、俄歇复合(即碰撞复合);2、表面复合(广义表面)：包含晶体内部缺点或掺杂物微观内部表面;3、多声子复合: 等光电材料全第23页2. 表面复合通常晶体表面层光致发光效率比晶体深处要低得多，这是由表面上特有无辐射复合作用表面

18、复合所引发。实际晶体表面远不是理想，他们会有凸点、凹点、吸附原子和未填满原子晶格结点等。有时半导体表面还覆盖一薄层氧化膜，这些情况又会引发上述以外表面态。可构想有两种表面态：一个是仅仅由理想表面引发，另一个是由实际表面缺点、杂质等引发。普通认为，表面态位于禁带之中，大量存在表面态含有俘获载流子本事，但并不是全部表面态都是俘获中心，而只有在一定条件下才能表现未俘获中心。对于表面态表现为复合中心条件和机理当前还不清楚！光电材料全第24页3. 缺点或掺杂物复合实际半导体内含有局部缺点及微小掺杂物;局部缺点及微小掺杂物能够像微观内部表面或金属掺杂物那样建立起连续或准连续能级谱；这些连续或准连续能级谱则

19、可能发生与表面复合相类似内表面复合过程。光电材料全第25页4. 多声子复合多声子复合无辐射复合能够经过发射声子来实现，这时受激电子能量转变为晶格振动能量，但需要以较高几率发射一定数目标声子，这种无辐射复合过程称为多声子复合； 机理对于电子从导带跃迁到价带和空穴相复合情况，假如假设禁带中不存在把导带和价带相搭接连接状态分布，则发射多声子复合跃迁几率应该是很低。因为一次发射多个声子几率很低，有些人提出经过一连串逐次单声子发射来实现这种无辐射复合可能性要大些。逐层过程要求复合中心局有以适当间隔分布足够数量激发能级。光电材料全第26页超出发光体所处温度下热辐射辐射,而且这种辐射含有超出光振动周期连续时

20、间（魏德曼-瓦维洛夫发光定义！）。激发方法(1)光致发光 受入射光激发(2)化学发光 由化学反应引发(3)摩擦发光 由机械作用引发(4)阴极射线致发光 由阴极射线作用引发(5)电致发光 在电场直接作用下1. 发光分类(1)荧光 连续时间10-8s持续时间四、 电致发光光电材料全第27页2. 电致发光特点电致发光两种基本形式:一、因为载流子注入晶体中及随即复合所引发;二、因为粉末材料在强电场作用下经过碰撞电离激发而产生。特点：1、直接将电能转换为光能，这是一个最直接光激发方法，也是电致发光最根本特点；2、发光体属于整个电路一部分，而且有一部分非平衡载流子能够被电场从发光体引出到金属电极或别非发光

21、材料；3、样品本身以及样品上电致发光存在不均匀性；4、非平衡载流子复合过程也像激发过程一样受到电场控制；5、用交变电场激发电致发光时，因为载流子被周期性地引到表面，所以与光致发光相比较表面陷阱和复合中心作用增大，这将影响到发光效率。光电材料全第28页3. 电致发光机理关键：增加晶体中载流子浓度；两种主要方法:1、晶体中已经存在自由载流子在强电场作用下被加速，使这些高速电子进行碰撞电离激发;2、电场向固体中已经有载流子提供势能，经过改变它们空间分布而激发。详细：1、注入式；2、碰撞电离；3、隧道效应；光电材料全第29页(1) 注入式发光正向偏置p-n结：经过施加正向电压使得势垒高度降低而造成电流

22、经过；异质结：利用禁带宽度不一样两种半导体组成；肖特基势垒：与p-n结类似,在正向电压下产生注入式电致发光；金属-绝缘层-半导体结构（MIS或MOS结）：在金属与半导体之间加上一层绝缘体(或氧化物)。光电材料全第30页 异质结利用禁带宽度不一样两种半导体组成 正向偏置p-n结：经过施加正向电压使得势垒高度降低造成电流经过光电材料全第31页 肖特基势垒加上正向电压势垒降低,少数载流子注入, 这时注入少数载流子, 能够与半导体多数载流子相复合而发光。金属-绝缘层-半导体结构 在(a)中, 借助于隧道效应电子从金属注入半导体能带与价带空穴进行辐射复合; 在(b)中价带电子经过隧道效应进入金属而在半导

23、体中留下空穴,它可与导带电子进行辐射复合.光电材料全第32页(2)碰撞电离激发在电场作用下，被加速电子与晶格原子或发光中心发生非弹性碰撞作用，失去从电场得到部分能量，并产生新载流子，新载流子又被电场加速，在足够强电场下载流子数目会雪崩般倍速增加，这时可能会有一部分电子-空穴对复合，并发射出光子。(3)隧道效应在足够强电场作用下，半导体能带发生强烈倾斜，价电子有一定几率穿过势垒进入导带，而同时保持从其它电场得到势能，这就是隧道效应。光电材料全第33页3.3 光电显示材料和器件基本特征信息显示材料是信息技术基础，其功效就是把人眼睛看不到电学信号转换成可见光学信号。100多年前德国布朗创造了阴极射线

24、管(CRT)，从此开始了光电显示时代。但因为CRT是电真空器件，难以向轻便化、高密度化、节能化发展，促进了平板显示(FPD)技术发展。一、显示材料特征 显示材料是指把电信号转换成可见光信号材料。从材料工作机理上，能够将信号显示材料分为发光显示材料和受光显示材料。光电材料全第34页发光显示材料：是利用光发射直接进行显示。物质发光过程有激励、能量传输、发光三个过程。激励方式主要有电子束激发、光激发、电场激发等。不论采取什么方式激发，发光显示材料要辐射可见光。发光材料禁带宽度Eg应满足Egh可见光。受光显示材料：是利用电场下材料光学性能改变实现显示，经过反射、散射、干涉等现象，对其它光源所发出入射光

25、进行控制，即经过光交换进行显示。液晶分子含有各向异性物理性能和分子之间作用力微弱特点，在低电压和微小功率推进下会发生分子取向改变，并引发液晶光学性能很大改变。所以，液晶这些特征可应用到显示技术中。光电材料全第35页二、光电显示分类分为投影式、直视式、虚拟式。投影式：CRT和LCD是主流，投影显示分为前投影和背投影 CRT亮度有限，投影屏幕尺寸不能太大，投影距离 可调性差； LCD则克服CRT不足。直视式：显示主体，分为CRT和FPD显示 FPD又分为发光式和受光式。 发光式美观、视角大、暗处显示效果更加好，但对视 角有刺激，不适合长时间观看； 受光式：被动显示，以液晶显示为代表，功耗低、 亮处

26、显示清楚、对肉眼无刺激，但视角小、暗处要 求照明发展方向：1、大屏幕多媒体化；2、便携式多媒体化；光电材料全第36页三、显示器件基本特征亮度：垂直于光束传输方向单位面积上发光强度；发光效率：显示器件辐射出单位能量(W)所发出光通量；对比度：显示部分亮度和非显示部分亮度之比；分辨率：像元密度和器件包含像元总数；灰度：屏亮度等级；响应时间和余辉时间：响应时间表示从施加电压到显示图像所需要时间，又称上升时间；余辉时间指当切断电源后到图像消失所需要时间；寿命和稳定性：初始亮度衰减二分之一所需时间；色彩：从三色到全色！视角：受光被动显示器件中突出！发光式中没有问题！工作电压和功耗：光电材料全第37页一、

27、电子束显示器件基本特征在电子束激发下发光材料，又称阴极射线发光材料，主要用于电子束管、荧光显示器制作。阴极射线管CRT（Cathode Ray Tube）（1）CRT荧光粉阴极射线发光材料含有高发光效率和各种各样发射光谱，光谱包含可见光区、紫外区和红外区。CRT发光材料制备工艺可分为原料制备、提纯、配料、灼烧、后处理等几个部分。原材料要求有较高纯度，即使有害杂质含量极小，也会使发光性能有显著改变。3.4 发光显示材料光电材料全第38页(2) 纳米材料1）发光效率 阴极射线发光能量效率表示为整个发光过程各阶段过程效率乘积，即=(1- )(h/E)SQ 背散射因子 S 由电子 空穴对到发光中心能量

28、转换成量子效率 Q 发光中心内部辐射跃迁量子效率 E值与材料禁带宽度相关，普通取禁带宽度2-3倍。 主要取决于组成发光粉元素相对原子质量和材料结晶状态。2）发光粉表面电荷负载 当激发电压降至“死电压”以下时，发光消失。“死电压”普通为12kV。因而，FED发光粉发光效率更为突出。因为加速电压低、电子穿透能力强，只有发光层浅表面被激发，增加电流密度，造成发光轻易饱和。光电材料全第39页3）纳米材料 纳米材料有望处理发光粉颗粒尺寸和发光粉表面层无辐射中心问题。110nm尺寸纳米材料就完全满足HDTV（高清楚度电视）高分辨显示要求。如ZnS:Mn纳米晶粒含有一个Mn电子时，量子效率最高(25%)，表

29、明纳米材料是有前途FED和HDTV发光材料。（3）CRT工作原理电子射线在真空中加速和聚焦后照射到荧光体上使其发光，从而显示图像器件。所谓发光就是将处于低能量状态电子激发到高能量状态，然后被激发电子从高能量状态返回到低能量状态，将这个能量差以光形式释放现象。光电材料全第40页2. FED发光材料 FED(场发光显示, Field Emission Display)，为真空微电子显示器件，1986年发觉，作为新一带薄型电子显示器件很有前途。（1）发光机理与CRT基本相同，也是电子射线激发发光。不一样是CRT是将阴极加热，而FED不用热阴极。另外，CRT每一个电子射线源都使用一个热阴极，而FED是

30、把无数微米尺寸微小阴极配置在平面上，阴极和阳极间间隔为200m至几毫米左右，从而实现了平板显示。光电材料全第41页（2）发光材料 在CRT、FED、VFD三种光点显示中均使用了电子束激发发光材料，但加速电压不一样。CRT加速电压为1530kV，FED为300V8kV，VFD为20100V。CRT采取逐点扫描方式，寻址时间短，约为纳秒量级。而FED采取矩阵逐行扫描方式，寻址时间为几十微秒。因而，FED大电流并长时间寻址，使发光粉库仑负载很大，FED粉轻易发光饱和并老化。 开发新型FED发光粉是FED显示当务之急：CRT硫化物荧光粉；纳米碳管结构等。（3）冷阴极材料 CRT和FED主要区分在于阴极

31、结构和材料。前者采取热阴极；后者采取平面阵列微尖阴极(FEA)。在室温下，可利用微尖形成强电场并发射电子。所以，要求微尖材料功函数低、稳定性好、热导率高、击穿电压高等。主要冷阴极微尖材料有金刚石薄膜、硅单晶及金属钼等。光电材料全第42页3. 真空荧光显示(VFD) VFD(Vacuum Fluorescence Display) 是1967年由伊势电子企业开发光电显示器件，主要作为文字和数字显示器件。VFD显示电光特征与CRT一样，为阴极发光。只是激发荧光体方式与CRT不一样。CRT是以10kV左右高电压加速数十微安电子流激发荧光体；而VFD则是以数十伏电压低速数十毫安电子流激发荧光体。（1）

32、基本原理和结构 和CRT不一样是，VFD选择性地施加电压于栅极和阳极上。VFD在结构上类似于三极管，由玻璃面板、阴极、控制电子流栅极以及表面涂有磷光物质阳极和支持该阳极村底所组成。光电材料全第43页VFD彩色显示普通利用ZnO:Zn宽频响应发光光谱，并采取一定方式阳极结构，在透光性阳极下设置彩色滤光片，以彩色滤光片透过光进行多色显示。在这种情况下，VFD显示在普通结构相反一侧，称为透视型。（2）驱动方式VFD所适合住要显示形态为笔段型。但伴随光刻技术采取、内部结构改进、多路驱动方式应用，小规模点阵显示也得以实现。1）静电驱动：用于位数少数字显示等笔段显示，驱动电 压为1015V。2）动态驱动（

33、时分驱动）：用于位数多数字笔段显示， 为简化面板内布线和驱动电流而用动态驱 动，把栅极作为位数电极进行位数扫描。光电材料全第44页3）点阵显示：点阵显示用于图片、汉字等复杂显示驱动方式。4）点字符显示：点阵驱动一个，普通一个文字由57个点组成，能够把它纵横配制起来显示数百个文字。5）有源矩阵驱动：VFD是电流驱动，所以在其开关元件上采取了能提取电流密度单晶硅LSI。并有用多晶硅TFT尝试，但其清楚度、彩色显示、对比度均比LCD差，尚没有到达实用化水平。光电材料全第45页二、电场激发显示材料 用交流电压或直流电压都可能取得场致发光，只是所用发光材料不一样。 当前，在场致发光材料中，最受人们重视是

34、薄膜。薄膜型场致发光材料不需要介质，而且能够在高频电压下工作，发光亮度高，使用寿命长，到达105h以上。电致发光材料(EL) 电致发光是指固体在加上电压后发光现象。包含高电场发光（又称本征发光）和低电场结型发光（也称注入型发光）。前者发光材料是粉末或薄膜，后者普通是晶体材料。二者发光机理和器件结构都有区分。光电材料全第46页（1）无机电致发光材料 1）粉末发光材料 ZnS是粉末电致发光最正确基质材料。这种材料对ZnS纯度要求高，同时要求结晶状态好，有很好分散性和流动性。但结晶状态、颗粒大小等对发光性能有多大影响尚不清楚，有待于研究。光电材料全第47页2）薄膜发光材料 将发光体制成薄膜后，在电场

35、作用下发光，称为薄膜电致发光(FEL)。它是用两个绝缘层将发光层夹住而成三明治形状并在两侧配置电极后组成。绝缘层在预防发光层绝缘破坏同时还含有给发光层加上稳定强电场功效。 在绝缘层和发光层界面上因晶格失配和晶格缺点而产生界面能级，被这些界面能级俘获电子在强电场作用下因隧道效应而进入发光体内部。进入导带内电子又在强电场作用下加速，并以很大动能与发光中心原子碰撞，结果发光中心被激发导高能量状态，当它回到基态时发出光来。光电材料全第48页（2）有机电致发光材料 有机电致发光(OEL, organic electro luminescence)在显示及照明技术方面已显示出辽阔应用前景。它含有驱动电压低

36、、反应时间短、发光亮度和效率高以及易于调制颜色实现全色显示等优点，是传统无机电致发光材料和液晶显示器无法比拟。1）有机EL工作原理 电子输运层、发光层和空穴输 运层都是利用两个电极将有机薄膜 夹住而形成。给该器件加上正向 电压，则电子被注入电子输运层内， 并向阳极方向移动而抵达发光层。 在发光层内载流子（电子和空穴） 复合产生单态激子，最终单态激子 辐射衰减造成发光。 光电材料全第49页2）有机薄膜型EL特征: 一、是它能够在比较低电压（5V至几十伏）下工作； 二、是有机物能够进行各种组合，较易控制发光颜色； 三、是能够得到微妙量级高速响应。现在关键问题 是提升寿命。3）有机电致发光材料特征

37、有机电致发光材料包含有机小分子材料和聚合材料两大类: 好电致发光材料应有利于空穴和电子注入，即含有小Ith和大电子亲和能，所以，电致发光应含有一个适中Ith值，且经常需要载流子注入材料辅助。芳香族胺类材料是主要空穴传输材料，含有较高空穴迁移率，且离子化势低、亲电子力弱、禁带宽。 光电材料全第50页 OEL薄膜厚度微小厚度不均匀或微晶物等轻易引发电击穿，成膜过程中应预防各层膜材料结晶化。面材料与电极直接接触，轻易与氧或水分产生化学反应，影响寿命，这是当前OEL应用中难题之一。 光电材料全第51页2、发光二极管（LED） （1） 材料特征和发光机理 LED是p - n结合征发光器件，普通使用单晶或

38、单晶薄膜材料，发光颜色取决于单晶材料禁带宽度。要取得各种颜色LED，而且高效率发光，LED材料应具备3个条件：一是轻易控制材料导电性；二是对发射光透明性好；三是发光跃迁几率高。特点：1）轻易控制材料导电性： 离子性化学键占主导宽禁带II -VI族材料导电性难以控制。伴随化学键中键成份增加，材料整体保持电中能力变强。在掺杂过程中自发形成电中性和缺点现象称为自赔偿效应。 光电材料全第52页2）对发射光透明性好 半导体和绝缘体材料含有吸收端。当光能量高于吸收端时，光被吸收，不能透过。材料光吸收端就是该材料禁带宽度。3）发光跃迁几率高 LED注入发光是由一对电子和结合辐射1个光子。从能量守恒角度，电子

39、和空穴结合前后动量要守恒，光子本身动量很小，所以要求电子和空穴动量之和靠近零。满足这种条件是，光吸收或光辐射过程跃迁几率高。这个过程称为直接跃迁。不满足上述动量守恒条件时，发光前后能量差传送到晶格，增加晶格震动能。这种发光跃迁过程称为间接跃迁，且跃迁几率远低于直接跃迁。两种跃迁几率完全决定于能带结构。光电材料全第53页（2）材料制备 LED衬底材料是单晶体，生产时普通采取水平布利兹曼法和液封提拉法。为了提升发光效率和寿命，需要深入降低缺点密度。（3） GaN系蓝光LED GaN含有宽直接带隙(Eg=3.4eV)、强原子键、高热导率和强抗辐射能力，不但是短波长发光材料，也是高温半导体换代材料。因

40、为GaN单晶制备困难、薄膜晶体质量不高以及缺点和背景施主浓度过高等原因，限制了这种材料发展进程。伴随半导体薄膜生长发展，尤其是分子束外延、金属有机化合物化学气相淀积以及VPE、LPE技术发展，给GaN系材料带来了生机。光电材料全第54页三、等离子体显示(PDP)材料 PDP是自我发光型显示器件，它发光原理与荧光灯相同。荧光灯是含水银蒸气真空管，在它管壁上混合涂上能够发出R、G、B三色光荧光体。因为放电效应，电子和水银处于等离子状态。在二者碰撞时，水银被激发到高能量状态，当它从高能量状态恢复到低能量状态时，将发射出紫外线。接着，紫外线激发管壁上荧光体，荧光体回到基态时能够发射出可见光。1、 气体

41、材料 PDP气体材料有He、Ne、Ar、Kr、Xe以及Hg蒸气等。Ne气体放电辐射橙色光，所以其显示是单色。在单色PDP中掺入Ar气或Hg蒸气，可降低工作电压。Ne：Ar混合气放电电压降低，气体放电时，Ar原子轻易电离。光电材料全第55页2.三基色荧光粉PDP使用荧光粉应满足以下条件：（1）在真空紫外区高效发光；（2）在同一放电电流时，经过三基色荧光粉发光混合取得白色光；（3）三基色荧光粉含有鲜明色彩度；（4）在真空紫外光和高于轰击下稳定性好；（5）涂粉和热处理工艺含有稳定性；（6）余辉时间短；其中在真空紫外光激发下，发光效率和稳定性是至关主要参数。PDP三基色荧光粉应含有远紫外光且发光效率高

42、，同时要求在紫外光辐射照和气体放出离子条件下含有稳定性。光电材料全第56页材料发光中心吸收远紫外光，并发生两个过程：一是稀土离子f-d能级内部跃迁；二是配位金属电荷跃迁或自由电荷载流子在基质材料晶格内跃迁。普通对基质晶体激活发光来说，要确保高跃迁几率，发光中心能量转换需要满足两个主要条件：直接带能带结构；施主能级和受主能级均是浅能级。3、基板材料 PDP由两块玻璃板基板夹着惰性气体和三基色荧光粉组成。PDP屏幕尺寸大，再加上制造过程中玻璃基板要经过高温烧结，所以对玻璃基板要求高。通常烧结温度在450600之间，封接温度为380400。 光电材料全第57页3.5 受光显示材料1888年奥地利植物

43、学家Reinitzer发觉了热致液晶，至今已经有100多年历史。所谓液晶是介于晶体和液体之间中间态。液晶分子结构决定了液晶含有较强各向异性物理性能，稍改变液晶分子取向，就会显著地改变液晶光学和电学性能。 利用外加电压改变液晶取向，以改变其双折射、旋光性、圆二色性或者光散射等光学特征而显示信息。液晶分子之间作用力是微弱，要改变液晶分子取向排列所需外力很小。比如，在几伏电压和每平方厘米几微安电流下就能够改变向列液晶分子取向。所以，液晶显示含有低电压、微功耗特点。在液晶显示技术发展过程中，液晶材料起着十分主要作用，每一个新显示方式实现都伴伴随新液晶材料出现。一、液晶显示材料光电材料全第58页液晶是有

44、机化合物，它是一个从晶体熔融状态改变为各向同性液体一个中间状态。这种混浊状态液体含有液体流动性，同时又含有晶体各向异性，故称为液晶(liquid crystal)。液晶材料在电场作用下不发光，但能形成着色中心，在可见光照射下能够着色。依据液晶分子几何形状，可将液晶分为棒状分子、板状分子和碗状分子。液晶显示只要利用棒状分子液晶。依据液晶形成条件和组成，能够将液晶分为热致液晶和溶致液晶两大类。热致液晶液晶相是由温度改变引发。1.液晶分子结构和分类光电材料全第59页（1）棒状液晶棒状液晶分子是由中心部和末端基团组成。中心部和末端基不一样组成形成不一样液晶相和不一样物理特征。当棒状分子几何长度(L)和

45、宽度(d)之比大于4时，才含有液晶相。 （2）液晶相 热致液晶分为：向列相(nematic)胆甾相(cholesteric)近晶相(smectic)等光电材料全第60页取V小区域，其内液晶分子取向表示为指向矢n，液晶分子有序度S为 S=1/2* ( 3 - 1) 为V内cos2 i平均值； i 为指向矢n和某一液晶分子长轴间夹角。当长轴与n完全平行,=0, =1,即S=1；当分子取向随机分布时, =1/3,S=0；普通向列相S=0.50.6。（1）向列相向列相液晶棒状分子大致上平行排列，质心位置没有长程有序性，含有类似普通流体流体性。即，向列相液晶材料分子取向是长程有序，分子重心分布是无规则，

46、是应用最广泛液晶材料。光电材料全第61页胆甾相是向列型液晶一个特例，能够看做由向列相平面重合而成，平面内分子相互平行，但层与层之间分子长轴稍有改变，分子取向是连续扭转，呈螺旋结构。胆甾相液晶螺旋状结构含有特殊光学性质，如选择性反射光在热色显示中有特殊应用，而且伴随温度改变所显示颜色也发生改变，能够用来检测物体表面温度分布以及微波场温度分布等。 2）胆甾相光电材料全第62页 近晶相液晶是由棒状分子分层排列组成，层内分子相互平行。分子质心只在层内无序，含有流动性，其规整性近于晶体，是二维有序。 该类液晶黏度较大，液晶显示中普通不采取这种液晶。3）近晶相光电材料全第63页在显示器件中，最惯用液晶是由

47、简单棒状分子结构组成向列型液晶；为将这种液晶用于显示器件，需要将棒状分子按照一定方向排列，通常将它称为相处理。液晶显示主要优点是功耗低，所用电压低，在明亮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。彩色液晶显示为发展方向主流： 1）在外部电场作用下材料光学性质发生改变，经过这种改变改变颜色。 2）彩色形成依靠外界原因。如采取三基色缎子束管作光源、使用双折射薄膜等方式实现彩色显示 。2、液晶调制和开关工作原理光电材料全第64页常见有 4类组适用于实现液晶彩色显示：二色性方式；电控双折射(ECB)；胆甾方式；扭曲向列方式； 二色性方式： 通常分宾主型(G

48、H)及二色性液晶两类：将沿分子长轴和短轴方向含有对可见光吸收各向异性二色性燃料（宾体）溶于一定取向液晶（主体）中，加电场后，燃料分子随液晶分子改变轴向，从而使燃料可见光吸收也伴随改变。光电材料全第65页电控双折射(ECB)： 因为折射率各向异性，液晶中e光和o光传输速度不一样，二者之间有相位差。液晶盒位于两个正交偏振片之间，光经过这一组合后， e光和o光相互干涉，于是得到彩色透射光。胆甾方式： 加电场于胆甾液晶，使其螺距发生改变，从而使一些光学性质发生改变，这些改变组成了液晶彩色显示。扭曲向列方式： 利用90扭曲排列向列液晶盒开关，控制经过彩色偏振膜、双折射膜、彩色薄膜等光束来实现彩色显示 。

49、 扭曲向列型，简称TN（Twisted Nematic） 光电材料全第66页液晶显示材料发展：为了最大信息显示容量，人们创造了超扭曲向列液晶显示，当前，黑白和彩色超扭曲向列液晶显示器已经能够大量生产 ，广泛用于快译通、办公室自动化等方面。因为超扭曲向列液晶显示器件响应速度较慢、灰度调整较困难，因而还不能用于显示运动图像。人们又创造了有源矩阵液晶显示，当前工艺技术比较成熟并已经形成大批量生产是非晶硅薄膜晶体管型液晶显示(a-SiTFT-LCD)。近年来薄膜晶体管型液晶显示器件已经广泛用于计算机终端显示、电视机以及一些军用仪器仪表显示中。 光电材料全第67页决定液晶物理性能主要原因：液晶分子几何形

50、成、极性官能团位置和极性大小、苯环面以及分子之间相互作用等。在显示应用中液晶材料主要物理参数有：（1）相变温度相变温度确定液晶态存在温度范围和各相存在范围。（2）黏度黏度强烈地影响显示器件电光响应速度。（3）介电常数介电常数是液晶材料主要电学性能参数，它决定着液晶分子在电场中行为。介电各向异性与温度也相关系。3. 液晶材料物理性能光电材料全第68页（4）折射率在光频率作用下液晶分子电极化引发介电常数和折射率n之间关系为2=n 。折射率一样含有各向异性。单轴晶体有两个不一样主折射率n0和ne ，分别表示寻常光和非寻常光折射率。向列液晶和近晶液晶三维空间上折射率对于寻常光表现为球面，而对于非寻常光

51、则表现为旋转椭圆体。胆甾液晶对于寻常光和非寻常光折射率空间分布（b）。光电材料全第69页（5）弹性常数在向列液晶情况下，分子沿着指向矢方向平衡，不产生形变恢复力。但破坏分子取向有序时，出现指向矢空间不均匀，体系自由能增加，产生指向矢形变恢复能。（6）阈值电压加电压后液晶显示器件透光率到达10%时电压称为阈值电压。在普通笔划显示中要求阈值电压低；而图像字符显示中阈值电压要高，方便得到陡峭光电曲线。液晶物理性能与液晶分子结构、官能团关系极其亲密。实际显示应用中，采取各种液晶混合以改进和控制液晶工作温度范围、响应特征、阈值陡度、视角、对比度等。光电材料全第70页惯用液晶材料有几十种，按中心桥键归纳，

52、主要类型有：（1）甲亚胺类应用于动态散射和电控双折射模式。（2）安息香酸酯类中心部两个苯环之间由酯类连接。稳定性好，化合物品种丰富，含有各种性能，混合液晶主要组分能够得到充分应用。（3）联苯类和联三苯类联苯类液晶分子中没有连接基团，因而黏度较低，在扭曲向列液晶显示中得到了广泛应用。（4）环乙烷基炭酸酯类这类液晶化合物特点是黏度小，温度范围宽。4、液晶材料光电材料全第71页（5）苯基环乙烷基类和联苯基环乙烷基类苯基环乙烷基类液晶中环乙烷环为反式构型，这类液晶黏度比联苯类液晶黏度小， n和也相对 小一些。（6）嘧啶类这类液晶分子中含有嘧啶环，该类液晶较大，黏度也较大。这类液晶含有介电各向异性大、温

53、度范围宽、弹性常数比较小。（7）环乙烷基乙基类这类化合物含有乙基中央桥键环已烷基类化合物特点。主要特点是黏度小，所以这类液晶是快速响应多路驱动材料。4、液晶材料光电材料全第72页（8）环乙烯类这类液晶特点是低黏度和低双折射率。（9）二苯乙炔类这类液晶含有双折射率大、黏度小特点。（10）二氟苯撑类这类液晶分子侧链引入两个氟原子，使介电各向异性为负，同时黏度小。应用于ECB和STN显示模式。（11）乙烷类液晶分子中含CH2CH2连接基团，该类液晶黏度较小， n和 也较小。这类液晶随温度改变率较小，是超扭曲向列液晶显示用混合液晶主要成份之一。4、液晶材料光电材料全第73页（12）手性掺杂剂向列液晶掺

54、入含有螺旋结构手性材料，能够控制TN-LCD中液晶分子扭曲方向，预防位错缺点，同时能够在SBE和STN显示中控制液晶分子扭曲角度和螺距等。（13）铁电液晶材料在某一温度范围内发生自发极化，而且自发极化强度能够因反电场而反向取向液晶物质称为铁电液晶。它含有陡峭电光锐度特征和良好双稳态特征。（14）混合液晶材料单体液晶难以全部满足LCD器件要求性能。所以，常采取混合液晶来调整物理性能，以满足器件要求。4、液晶材料光电材料全第74页因为液晶分子之间相互作用力微弱，器件中基板表面状态直接影响液晶分子取向排列，所以能够利用基板表面涂布趋向材料控制液晶分子排列。取向材料要求含有附着力强，透明、稳定、绝缘性

55、能好等特点。当前主要采取高分子材料聚酰亚胺系材料。5. 取向材料TN、STN、FLC（铁电液晶，Ferroelectric Liqud Crystal ）等LCD器件均是调制偏振光显示器件，所以偏振膜是不可缺乏材料。液晶显示用偏振膜是利用高分子膜双色性质制作。6. 偏振膜光电材料全第75页把ITO（Indium Tin Oxides，铟锡氧化物）涂布在平板玻璃上可形成ITO 玻璃（又称透明导电玻璃）。 ITO 玻璃含有很好导电性和透明性，是全部平板显示共用基板材料。因各种显示器件制造工艺、热处理、加工条件及器件性能等不一样，对玻璃基板材料、表面平整度、热和力学性能等要求也不一样。7. ITO玻

56、璃（1）玻璃基板：TN和STN使用碱石灰，TFT-LCD使用无碱玻璃，硼硅玻璃石英玻璃等。（TFT=Thin Film Transistor,薄膜晶体管 ）（2）ITO膜：ITO膜是透明导电膜，是一个含氧空位n型氧化物半导体材料。光电材料全第76页电致变色(electro chromism)是指在外加电场或电流作用下物质光学性能(透过率、反射率或吸收率）在可见光波范围内产生稳定可逆改变现象。二、电致变色显示材料1.电致变色显示材料最常见电致变色材料是氧化钨膜。作为阴极，它被注入电子还原，同时由阳极注入阳离子时发生从五色变为有色着色反应，反之，以它作为阳极时会发生颜色消褪反应。 能够将含有变色特

57、征固态和液态化合物分为无机和有机两大类。光电材料全第77页含有电致变色特征无机材料主要是过渡金属氧化物，如WO3、MoO3等。（1）无机电致变色材料1） WO3和MoO3WO3和MoO3单晶状态通常不含有电致变色特征，但其化学计量比和非化学计量比非晶、多晶几薄膜则含有电致变色特征。采取WO3-Cr2O5和V2O5- Cr2O5混合物固体电致变色器件还能够改进功耗和记忆性能。2)普鲁士蓝(Prussian blue,简称PB，即Fe3+亚铁氰化物)普鲁士蓝是一个同时含有Fe2+和Fe3+混合价配合物。有两种普鲁士蓝，溶解PB-KFeFe(CN)6和不溶解PB-Fe4Fe(CN)63。这两种形式P

58、B在注入电子并对应地在晶格中嵌入碱金属离子M+是，会还原而产生透明Everitt盐(ES)。另外，石墨碱金属嵌入物(C6Li、C12Li、C8M、C36M和InN等)薄膜也有电致变色效应。光电材料全第78页 含有电致变色特征有机材料有紫精(viologen)、稀土酞菁(lanthanid phthalocyanine)、吡嗪(pyrazine)、聚苯胺(polyaninline)以及一些导电有机聚合物等。其变色机理较为复杂，大都包括电子得失（即发生了氧化还原反应）和颜色不一样反应物及产物。（2）有机及配合物电致变色材料1）紫精衍生物惯用紫精衍生物为溴化双庚基紫罗精(diheptyl viologen dibromide)和卤化苄基紫罗精(benzyl viologen hanlides)。紫精衍生物含有显著电压阈值和较快响应速度，开关速度更始高达108s-1。2）稀土酞菁稀土酞菁其特点是响应速度快（小于50ms)、温度范围宽、功耗小(0.51.5mJ.cm-1),但开关寿命不太长（小于105次)。光电材料全第79页（3）混合物电致