光電顯示材料

光電顯示材料目錄1概述2光電顯示物理基礎(chǔ)3光電顯示材料和器件的基本特性4發(fā)光顯示材料5受光顯示材料6光電顯示材料的發(fā)展前景1概述將各種形式的信息(如文字、數(shù)據(jù)、圖形、圖像和活動(dòng)圖像)作用于人的視覺(jué)而使人感知的手段稱(chēng)為信息顯示技術(shù)。最常用的靜止信息的顯示手段有打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、傳真機(jī)和掃描儀等，一般稱(chēng)為信息的輸出和輸入設(shè)備。為提高分辨率以及輸入和輸出的速度，需要發(fā)展高靈敏和穩(wěn)定的感光材料。例如，激光打印機(jī)和復(fù)印機(jī)上感光鼓的材料，目前使用的是無(wú)機(jī)的硒合金和有機(jī)的酞菁染料，一方面需不斷完善它們的性能，另一方面還應(yīng)致力于發(fā)展新的感光材料。2光電顯示物理基礎(chǔ)一、光輻射與光二、半導(dǎo)體的輻射躍遷本征輻射躍遷：電子從導(dǎo)帶躍遷至價(jià)帶直接躍遷和間接躍遷:直接躍遷幾率比間接躍遷幾率大得多.發(fā)光器件多采用直接躍遷半導(dǎo)體.輻射躍遷:伴隨有發(fā)射光子的電子躍遷.2.激子輻射復(fù)合（1）自由激子直接帶隙半導(dǎo)體間接帶隙半導(dǎo)體（2）束縛激子3.能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間的輻射躍遷（1）淺躍遷（2）深躍遷4.施主與受主間的輻射躍遷：被施主束縛的電子和被受主束縛的空穴相復(fù)合。三、半導(dǎo)體的無(wú)輻射復(fù)合1.俄歇復(fù)合：由三個(gè)載流子（如兩個(gè)電子和一個(gè)空穴或兩個(gè)空穴和一個(gè)電子）的相互作用，即發(fā)生碰撞所引起。2.表面復(fù)合兩種表面態(tài)：半導(dǎo)體少數(shù)載流子在表面消失的現(xiàn)象3.通過(guò)缺陷或摻雜物的復(fù)合4.多聲子復(fù)合：受激電子的能量轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ц裾駝?dòng)的能量，需要以較高的幾率發(fā)射出一定數(shù)目的聲子。四、發(fā)光發(fā)光的分類(lèi)：按激發(fā)停止后余輝的長(zhǎng)短:熒光:余輝時(shí)間10-8s磷光:余輝時(shí)間10-8s（1）光致發(fā)光：受入射光的激發(fā)而產(chǎn)生（2）化學(xué)發(fā)光：某些化學(xué)反應(yīng)中釋放的能量可以轉(zhuǎn)變?yōu)楣饽?。?）摩擦發(fā)光：機(jī)械作用所引起的發(fā)光。機(jī)械壓力作用下由于壓電效應(yīng)可以形成局部電場(chǎng),在局部電場(chǎng)作用下可以發(fā)生齊納擊穿,從而產(chǎn)生電子-空穴對(duì),然后它們復(fù)合時(shí)可以發(fā)射出光子.（4）陰極射線發(fā)光：在高能電子束（陰極射線作用之下固體的發(fā)光。（5）電致發(fā)光：在直流或交流電場(chǎng)直接作用下引起的發(fā)光。按激發(fā)方式:3光電顯示材料和器件的基本特性一、顯示材料特性發(fā)光顯示材料：利用光發(fā)射直接進(jìn)行顯示。受光顯示材料：利用電場(chǎng)作用下材料光學(xué)性能的變化實(shí)現(xiàn)顯示，通過(guò)反射、散射、干涉等現(xiàn)象，對(duì)其它光源所發(fā)出的入射光進(jìn)行控制，即通過(guò)光交換進(jìn)行顯示。二、光電顯示的分類(lèi)二、光電顯示的分類(lèi)三、顯示器件的基本特征1亮度：指顯示器件的發(fā)光強(qiáng)度。它是指垂直于光束傳播方向單位面積上的發(fā)光強(qiáng)度，單位為cd/m2。發(fā)光式顯示器件和受光式液晶顯示器件均采用亮度參數(shù)。但受光式、反射式顯示器件以反射光的強(qiáng)度表示明亮度。2發(fā)光效率：指顯示器件輻射出的單位能量(W)所發(fā)出的光通量，單位為lm/W。一般器件0.1～1.5lm/W，真空熒光顯示1～10lm/W。3對(duì)比度：表示顯示部分的亮度和非顯示部分的亮度之比。在室內(nèi)照明條件下對(duì)比度達(dá)到5：1，基本上滿足顯示要求。4分辨率：包括像元密度和器件包含的像元總數(shù)。CRT分辨率達(dá)到100～110ppi(每英寸像元數(shù))時(shí)，再提高有難度，因受電子束聚焦有限性和發(fā)光粉顆粒及發(fā)光效率等因素的影響。LCD分辨率已達(dá)到300ppi，還有潛力再提高。5灰度：表示屏上亮度的等級(jí)。以亮度的倍的發(fā)光強(qiáng)度的變化劃分等級(jí)?；叶仍礁?，圖像層次越分明，彩色顯示中顏色更豐富，圖像更柔和。6響應(yīng)時(shí)間、余輝時(shí)間：響應(yīng)時(shí)間表示從施加電壓到顯示圖像所需要的時(shí)間。切斷電壓后到圖像消失所需要的時(shí)間稱(chēng)為余輝時(shí)間。發(fā)光器件和鐵電液晶響應(yīng)時(shí)間一般為微秒量級(jí)。視頻圖像顯示要求響應(yīng)時(shí)間和余輝時(shí)間加起來(lái)小于50ms才能滿足幀頻的要求。7壽命和穩(wěn)定性：發(fā)光顯示器件初發(fā)始亮度衰減一半所需時(shí)間稱(chēng)為半壽命，一般即指壽命。受光顯示器件的主要顯示指標(biāo)保持正常的時(shí)間為使用壽命。同時(shí)濕度、溫度、紫外光等環(huán)境狀態(tài)和穩(wěn)定性是很重要的參數(shù)。8色彩：顯示顏色分為黑白、單色、多色、全色。顯示顏色是衡量顯示器件性能優(yōu)劣的重要參數(shù)。發(fā)光顯示以紅光、綠光、藍(lán)光三基色加法混色得到CIE色度圖舌形曲線上任意顏色。復(fù)合光光譜豐富程度取決于三基色發(fā)光光譜純度和飽和度以及三基色發(fā)光像元的灰度級(jí)別。CRT、LCD及PDP已可顯示幾百萬(wàn)種顏色，達(dá)到全色顯示要求。液晶顯示色彩靠背照明冷陰極燈白光和三基色濾光膜相匹配得到CIE色度圖舌形曲線飽和區(qū)，實(shí)現(xiàn)了全色顯示。9視角：在受光式被動(dòng)顯示中，觀察角度不同，對(duì)比度不同。在液晶顯示中視角問(wèn)題特別突出。由于液晶分子具有光學(xué)各向異性液晶分子長(zhǎng)軸和短軸方向光吸收不同，因而引起對(duì)比度不同，但采用多種辦法已解決了這個(gè)問(wèn)題。在發(fā)光式主動(dòng)顯示中幾乎不存在視角問(wèn)題，因?yàn)橄裨褪枪廨椛湓?，光空間分布是均勻的，視角大又均勻。10工作電壓和功耗：驅(qū)動(dòng)顯示器件所施加的電壓為工作電壓。工作電壓與器件消耗電流的乘積為功耗。要求工作電壓低、功耗少，并容易與集成電路匹配。CRTLCDPDPFEDELDLED△△◎◎△○◎◎◎◎◎△○◎○◎◎◎◎×◎◎◎◎◎○◎○◎○△○◎○○△△△◎△○△△△◎○○○◎參數(shù)器件大屏幕全色視角空間分辨率對(duì)比度功耗工作電壓表各種光電顯示器件性能注：◎------優(yōu)，○------良，△------差，×------很差:LCD的△◎指LCD直視顯示大屏幕難，投影顯示大屏幕容易

4發(fā)光顯示材料一、電子束激發(fā)的發(fā)光材料,又稱(chēng)陰極射線發(fā)光材料，在顯示領(lǐng)域占統(tǒng)治地位主要用途:電視、示波器、雷達(dá)、投影管、飛機(jī)上的平視儀及大屏幕顯示等。分類(lèi)：陰極射線管CRT，真空微顯示器FED，真空熒光顯示VFD（1）機(jī)理①CRT：熱陰極，在真空中從陰極出來(lái)的電子經(jīng)加速后轟擊熒屏所發(fā)出的光。陰極射線的電子在陽(yáng)極電壓的加速下，可以達(dá)到幾到幾萬(wàn)電子伏的能量，每個(gè)初級(jí)電子進(jìn)入發(fā)光材料后，沿著其途徑還會(huì)產(chǎn)生二次電子，二次電子還可以與晶格碰撞產(chǎn)生新的二次電子，因而產(chǎn)生的二次電子的密度是非常大的。這些二次電子最終會(huì)激發(fā)發(fā)光。②FED：不用熱陰極。將強(qiáng)電場(chǎng)集中在陰極上面的圓錐形發(fā)射極上，通過(guò)電場(chǎng)使電子發(fā)射到真空中。冷陰極。③VFD：當(dāng)磷光體被低速電子流激發(fā)時(shí)會(huì)產(chǎn)生發(fā)光現(xiàn)象。VFD選擇性地施加電壓于柵極和陽(yáng)極上。當(dāng)對(duì)涂有氧化材料的陰極加熱時(shí)，它在近650℃時(shí)發(fā)射出熱電子。它們被金屬網(wǎng)柵極所加速，再轟擊陽(yáng)極的磷光物質(zhì)而使之發(fā)光。不同之處：①加速電壓：CRT：15~30kV；FED：300V~8kV；VFD：20~100V②電流密度：CRT：低10mA/cm2；FED：高100mA/cm2③陰極結(jié)構(gòu)和材料：CRT：熱陰極；FED：平面陣列的微尖冷陰極，金剛石薄膜、硅單晶、金屬鉬等。④發(fā)光材料：CRT和FED所用材料范圍較廣，VFD用磷光材料，主要用ZnO:Zn⑤應(yīng)用：CRT和FED范圍較廣，VFD多用于數(shù)字和文字⑥FED和VFD為平板顯示。二、發(fā)光材料CRT熒光粉：具有高的發(fā)光效率和各種發(fā)光譜。包括可見(jiàn)區(qū)、紫外區(qū)和紅外區(qū)。雜質(zhì)：1)猝滅劑：損害發(fā)光性能使發(fā)光亮度降低的雜質(zhì)，F(xiàn)e、Co、Ni是典型代表。2)激活劑：對(duì)某種特定的化合物起激活作用，使原來(lái)不發(fā)光或發(fā)光很微弱的材料發(fā)光，這類(lèi)雜質(zhì)叫該化合物的激活劑。它是發(fā)光中心的主要組成部分。如硫化物的激活劑元素是Cu、Ag、Mn等；稀土熒光粉的激活劑有Ce、Pr、Nd、Sm、Eu、Tb、Dy、Ho、Er、Tm等。一種發(fā)光材料可以同時(shí)含兩種激活劑。3)共激活劑：與激活劑協(xié)同激活基質(zhì)的雜質(zhì)，如ZnS:Cu、Cl和ZnS:Cu、Al中的Cl-、Al3+就是Cu的共激活劑。當(dāng)Cu+替換ZnS中的Zn2+時(shí)，Cl-和Al3+都起電荷補(bǔ)償作用，使Cu容易進(jìn)入基質(zhì)。4)敏化劑：有助于激活劑引起的發(fā)光，使發(fā)光亮度增加的雜質(zhì)。敏化劑與共激活劑的作用效果一樣，但兩者的作用原理不同。如上轉(zhuǎn)換材料YF3:Yb、Er中Yb是敏化劑，Er是激活劑，通過(guò)Yb3+吸收激發(fā)能，把能量傳給Er3+發(fā)光。5)惰性雜質(zhì)：指對(duì)發(fā)光性能影響較小、對(duì)發(fā)光亮度和顏色不起直接作用的雜質(zhì)，如堿金屬、堿土金屬、硫酸鹽和鹵素等。色坐標(biāo)：色彩是紅、綠、藍(lán)三基色混合得到的。這三種基色在CIE色坐標(biāo)圖中構(gòu)成一個(gè)三角形，紅、綠、藍(lán)三點(diǎn)越接近曲線邊緣，顏色越純，即顏色越正，色飽和度越好。我國(guó)彩色電視的制式是PAL制，白場(chǎng)色溫為D6500。三基色材料的色坐標(biāo)必須適合PAL制的要求；同時(shí)在保證色坐標(biāo)的前提下，每一單色熒光粉的發(fā)光效率要高。當(dāng)激發(fā)紅、綠、藍(lán)三基色發(fā)光粉的三束電流比在顯示白場(chǎng)時(shí)，要接近1：1：1。(3)材料制備工藝：以Y2O3:Eu為例

首先，按分子式(Y0.96Eu0.04)2O3配好料，與適量的助熔劑(如NH4Cl、Li2SiO3等)混磨均勻，裝入石英坩堝或氧化鋁坩堝中，在1340℃下灼燒1～2h(溫度可根據(jù)助熔劑的情況適當(dāng)選擇，時(shí)間可視裝料多少而定)，高溫出爐，冷至室溫，在253.7nm紫外光激發(fā)下選粉，用去離子水洗至中性，然后進(jìn)行包膜處理。因?yàn)橛肶2O3:Eu涂屏?xí)r，要與聚乙烯醇和重鉻酸銨涂覆液混合。若不包膜處理，Y2O3:Eu將被水解而發(fā)生化學(xué)變化。三、發(fā)光二極管(1)材料特性和發(fā)光機(jī)理發(fā)光機(jī)理：施加正向電壓時(shí)，通過(guò)p-n結(jié)分別把n區(qū)的電子注入到p區(qū)，p區(qū)空穴注入到n區(qū)，電子和空穴復(fù)合而發(fā)光。高效率發(fā)光應(yīng)自備的三個(gè)條件：1)容易控制材料的導(dǎo)電性Ⅲ-Ⅴ族材料導(dǎo)電性較好，且容易做成p型或n型結(jié)。Ⅱ-Ⅵ族材料的導(dǎo)電性不好控制。2)對(duì)發(fā)射光的透明性好當(dāng)能量低于吸收端時(shí)，光可以透過(guò)；當(dāng)能量高于吸收端時(shí)，不能透過(guò)。禁帶寬度可通過(guò)三元系或四元系混晶方法在一定范圍內(nèi)可調(diào)。3)發(fā)光躍遷幾率高直接躍遷>等電子陷阱束縛激子發(fā)光>間接躍遷(2)材料制備1)水平布利茲曼法和液封法生長(zhǎng)GaAs單晶2)外延生長(zhǎng)技術(shù):液相外延、氣相外延、分子束外延、金屬有機(jī)化合物化學(xué)淀積1.PDP的定義：等離子體顯示板(plasmadisplaypanel)，利用氣體放電發(fā)光進(jìn)行顯示的平面顯示板，可以看成是由大量小型日光燈并排構(gòu)成的。四、等離子體顯示(PDP)材料2.PDP工作原理：在PDP中，有數(shù)百萬(wàn)個(gè)如上所述的微小熒光燈，即放電胞，真空放電胞中封入的氣體，一般采用Ne和Xe，或He和Xe(Xe輻射147nm紫外光)的混合惰性氣體。放電胞內(nèi)壁涂覆的熒光體并不是發(fā)白光，而是紅、綠、藍(lán)三原色光。對(duì)放電胞施加電壓，放電胞中發(fā)生氣體放電，產(chǎn)生等離子體，等離子體產(chǎn)生的紫外線照射胞內(nèi)壁上涂覆的熒光體，產(chǎn)生可見(jiàn)光。三原色巧妙地混合，對(duì)于視者來(lái)說(shuō)，產(chǎn)生豐富多彩的顏色。3.三基色熒光粉應(yīng)滿足的條件(1)在真空紫外區(qū)高效發(fā)光，是高分辨率顯示和高亮度顯示的關(guān)鍵。(2)在同一放電電流時(shí)，通過(guò)三基色熒光粉發(fā)光混合獲得白色光。(3)三基色熒光粉具有鮮明的色彩度。(4)在真空紫外光和離子轟擊下穩(wěn)定性好。(5)涂粉和熱處理工藝具有穩(wěn)定性。(6)余輝時(shí)間短。發(fā)光材料發(fā)光顏色相對(duì)亮度(%)BaMgAl14O23:Eu2+藍(lán)色23BaAl12O19:Mn2+綠色83Y2O3:Eu3+紅色22電視顯示用三基色熒光粉4.三基色熒光粉的轉(zhuǎn)換效率：一般，一個(gè)激發(fā)光子照射一個(gè)熒光粉顆粒，輻射一個(gè)可見(jiàn)光光子?？墒?，如果激發(fā)光子能量為8.55eV，可見(jiàn)光子能量為2~2.8eV，能量轉(zhuǎn)換效率為27%，很低。因此，要研究高能光子轉(zhuǎn)換材料，即能轉(zhuǎn)換2個(gè)或更多個(gè)低能光子的熒光材料。近年來(lái)研究出摻Pr氟化物，這種材料在高能光子激發(fā)下能產(chǎn)生多個(gè)低能光子。5.熒光粉制備：同CRT熒光粉6.基板材料：PDP是由兩塊玻璃基板夾著惰性氣體和三基色熒光粉構(gòu)成的。PDP屏幕尺寸大，又加上制造過(guò)程中玻璃基板要經(jīng)過(guò)一系列的厚膜印刷和高溫?zé)Y(jié)，因此對(duì)玻璃基板要求高。通常燒結(jié)溫度在450~600oC之間，封接溫度為380~400oC，排氣最高溫度為350oC。這樣，燒結(jié)溫度高于玻璃應(yīng)變點(diǎn)，導(dǎo)致玻璃基板產(chǎn)生彎曲，不規(guī)則形變和熱收縮。例如，對(duì)角線為1m的彩色PDP中，玻璃基板百萬(wàn)分之二十的熱形變就會(huì)產(chǎn)生至少一個(gè)像元的完全錯(cuò)位。當(dāng)前，PDP使用日本旭硝子公司PD200和美國(guó)康寧公司CS25玻璃。PD200CS25鈉鈣玻璃標(biāo)準(zhǔn)堿性玻璃熱膨脹系數(shù)(1/K,*10-7)83848585應(yīng)變點(diǎn)(oC)570610511506退火點(diǎn)(oC)620654554545軟化點(diǎn)(oC)830848735726密度(g/cm3)2.772.882.492.49幾種玻璃的性能比較5受光顯示材料液晶顯示材料液晶：晶體和液體之間的中間態(tài)。1.液晶分子結(jié)構(gòu)和分類(lèi)按分子幾何形狀：棒狀分子、板狀分子、碗狀分子按液晶形成的條件和組成：熱致液晶(包括向列相、膽甾相、近晶相）和溶致液晶液晶顯示主要利用棒狀分子液晶.棒狀液晶分子是由中心部和末端基團(tuán)組成的.中心部:苯環(huán)、聯(lián)苯環(huán)、環(huán)已烷、嘧啶環(huán)、醛環(huán)等末端基團(tuán)：烷基、烷氧基、酯基等，有極性（1）熱致液晶相1）向列相：大體上平行排列。黏度相對(duì)較小，在液晶顯示中有較大的用途。2）膽甾相液晶：與近晶相液晶同樣形成層狀結(jié)構(gòu)，分子長(zhǎng)軸在層面內(nèi)與向列液晶相同呈平行排列。但是相鄰層面間分子長(zhǎng)軸的取向方位多少有些差別，整個(gè)液晶形成螺旋結(jié)構(gòu)。3）近晶相液晶：棒狀分子排成層狀結(jié)構(gòu)，構(gòu)成分子相互平行排列，與層面近似垂直。這種分子