有機高分子材料在光電中的應用

功能高分子材料在光電領域的應用概論隨著新一代顯示技術的普及，LCD、PDP、OLED等這些新興的名詞逐漸被人們所熟悉。這也標志有機高分子功能材料在光電領域中有著不可替代的地位。當然，以激光器的誕生、光纖的普及，使得通信進入了光的時代。在這場革命中有機高分子材料同樣不甘寂寞，塑料光纖、非線性光學有機材料說明這些。

光電功能有機高分子材料

主要應用領域

光電顯示領域的應用液晶材料：電致發(fā)光材料：閃爍體材料：光通信領域的應用有機非線性光學材料有機光導纖維材料信息存儲領域的應用光致變色材料微電子領域的應用光刻膠

其它領域的應用

光電子顯示技術

光顯示技術集電子、通信和信息處理技術于一身，是電子信息工業(yè)繼微電子、計算機之后的又一重大發(fā)展機會。而這個領域也是光電功能有機高分子材料應用最為成熟的領域。以液晶材料和有機電致發(fā)光材料為基礎的LCD和OLED將成為這個領域的主導者。液晶材料什么叫液晶？

液晶(liquidcrystal)是一種在一定溫度范圍內(nèi)呈現(xiàn)不同于固態(tài)、液態(tài)的特殊物質(zhì)形態(tài)，是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機化合物。液晶的歷史。1888奧地利植物學家萊尼茲爾發(fā)現(xiàn)。1889德國物理學家Lehmann觀察到了液晶現(xiàn)象，并正式命名。1922法國人菲利德爾將液晶分為三種基本類型也就是現(xiàn)在人們所熟知的，向列型，近晶型及膽笫村1963威廉姆斯發(fā)現(xiàn)向列液晶中的疇結構1968美國的RCA公司發(fā)現(xiàn)了向列型液晶通電后動態(tài)散射模式，并正式提出液晶的電子顯示的概念。1985出現(xiàn)了STN液晶目前：廣泛采用的TFT驅(qū)動的STN液晶。液晶的分類：

向列型液晶

棒狀分子都以相同的方向排列，每個分子在長軸方向比較自由的移動，不存在層狀結構近晶型液晶

棒狀分子排列成層狀，分子相互平行排列與層大致垂直膽甾相液晶分子在層面內(nèi)與向列型液晶一樣呈平行排列但是長軸取向由少有些差異，整個液晶形成螺旋狀。常見的液晶分子早期的液晶大多是剛性棒狀的分子中心橋鍵的結構與液晶性能密切相關無中心橋鍵，對光、電具有很高的穩(wěn)定性，粘度特別低

液晶材料的基本特性

液晶具有和光學單軸晶體同樣的各向異性的折射率，具有兩個不相同的主折射率。施加電場后，液晶的排列方向隨之改變，并改變了液晶光學性質(zhì)。

液晶的扭曲效應常見的液晶顯示器件液晶顯示器的原理圖垂直線性偏光器玻璃薄片透明X電極校準層液態(tài)晶體流校準層透明Y電極玻璃薄片水平線性偏光器DSTN（dual-scantwistednematic，雙掃描交錯液晶顯示），被動矩陣（無源矩陣）TFT（thinfilmtransistor，薄膜晶體管顯示），積極矩陣（有源矩陣）液晶著色原理圖液晶工作原理圖液晶材料在其它光電領域應用

高速光功能器件光快門

非線性光功能器件特殊的液晶材料DOMAMBC也存在倍頻效應，與YAG激光產(chǎn)生了2階非線性效應。

分立元器件

部分液晶材料具有較大的介電常數(shù)，可以被用來制作大容量小型的電容。

電致發(fā)光材料及OLEDOLED的市場前景電致發(fā)光效應

電致發(fā)光效應是指在功能材料（主要是熒光體）在外加電場作用下的自發(fā)光現(xiàn)象。電致發(fā)光就方式而言可以分為兩種：注入型和本征型。就材料而言可以分為：有機性和無機性兩大類。

OLED的結構原理圖OLED的原理示意圖陰極陽極電子傳輸層保護層玻璃基板紅光緑光藍光白色光白色光白光發(fā)光層空穴傳輸層藍濾色層綠濾色層紅濾色層OLED的特點OLED從理論的角度來說可以提供真正像紙一樣薄的顯示器。而且是柔性的，可以嵌在衣服首飾等等。低功耗、光視角、響應速度（亞微秒級），以實現(xiàn)大面積全彩顯示。結構相當簡單。

日本2002年政府啟動政府基金支持開始60英寸OLED研發(fā)OLED的產(chǎn)品常用的OLED材料柯達公司采用的有機小分子結構材料。采用的工藝流程是蒸鍍的方式。

劍橋所采用的有機大分子結構。采用的工藝流程是甩膠的方式。除了光致發(fā)光層外，電流注入層和空穴注入層都廣泛采用高分子有機化合物有機高分子閃爍體材料閃爍體材料

在輻射的作用下能夠發(fā)出短暫熒光或者磷光的物質(zhì)熒光和磷光材料主要區(qū)別在于躍遷輻射的機理不同。

有機閃爍體

有機的閃爍體主要有蒽、聯(lián)苯等有機體。目前發(fā)展的塑料熒光材料采用高聚物和熒光物質(zhì)組成，其中高聚物在塑料閃爍體中起著溶解熒光物質(zhì)、吸收射線能量、傳遞能量和基質(zhì)作用。有機熒光材料的特點

目前塑料熒光體主要有聚苯乙烯、聚甲苯乙烯、聚二甲基苯乙烯、聚甲基丙酸甲脂、環(huán)氧樹脂等。這些高分子有機熒光材料特點：發(fā)光衰減時間短、光自吸收小、容易加工成型。閃爍體材料的基本原理。是個比較復雜的基礎理論問題。不經(jīng)與閃爍體本身有關還和激發(fā)物質(zhì)（各種輻射，電子射線）。目前還沒有統(tǒng)一完善的理論。通常的解釋，按照分子軌道理論，原子間形成的分子時可以組成若干個分子軌道，其中有成健軌道和反健軌道?；鶓B(tài)分子的成健電子運動在成健軌道中。當受到激發(fā)的時候，成健軌道中的一個電子就可能躍遷到反健軌道上，這樣的分子稱為激發(fā)態(tài)分子。量子力學中指出，激發(fā)態(tài)分子中，躍遷到反健軌道上的電子，其自旋可以有兩種狀態(tài)。自旋方向相同的稱為單線態(tài)，自旋方向相同成為三態(tài)線，兩種態(tài)都是激發(fā)態(tài)但是能級不同。通常認為單線態(tài)躍遷到基態(tài)發(fā)出熒光，三線態(tài)躍遷到基態(tài)發(fā)出磷光，其發(fā)光是在一段的時間內(nèi)衰減的。熒光體主要應用閃爍探測器

利用閃爍體發(fā)出的熒光，經(jīng)過光電倍增管在陽極等到了電壓脈沖，測定其脈沖變化，就可以設計出閃爍計數(shù)器，閃爍能譜儀等多種閃爍探測器。閃爍探測中的熒光材料盧瑟福第一次用肉眼x粒子撞擊熒光屏產(chǎn)生了閃爍光，但是那是有機閃爍體；震驚世界的弱相互作用宇稱不守恒定律的實驗證明，就是由華裔吳健雄女士利用閃爍實驗而完成的。光導塑料纖維

普通光纖的簡介

芯包層樹脂被覆層傳統(tǒng)光纖是一種高度透明的玻璃絲，由純石英經(jīng)復雜的工藝拉制而成。光纖中心部分(芯Core)＋同心圓狀包裹層(包層Clad)＋涂覆層特點：ncore>nclad

光在芯和包層之間的界面上反復進行全反射，并在光纖中傳遞下去。1970年激光器和低損耗光纖這兩項關鍵技術的重大突破，使光纖通信開始從理想變成可能。1974年美國貝爾研究所發(fā)明了低損耗光纖制作法―CVD法（氣相沉積法），使光纖損耗降低到1分貝／公里。1977年，貝爾研究所和日本電報電話公司幾乎同時研制成功壽命達100萬小時（實用中10年左右）的半導體激光器，從而有了真正實用的激光器。1977年，世界上第一條光纖通信系統(tǒng)在美國芝加哥市投入商用，速率為45Mb/s。

－－低損耗光纖的問世導致了光波技術領域的革命，開創(chuàng)了光纖通信的時代。光纖之路

光通信

有機光纖的歷史有機光纖的研究和生產(chǎn)幾乎與石英光纖同時進行1964美國杜邦公司首先開發(fā)聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）為纖芯的有機光導纖維目前有機光纖（塑料光纖）在光纖產(chǎn)品中占有一席之地。隨著，F(xiàn)TTH的普及，有機光纖的需求會越來越大，甚至可能超過玻璃光纖。塑料光纖的特點有機光纖一般傳送藍光較優(yōu)，石英光纖傳送紅外光較優(yōu)能夠制成較粗纖經(jīng)的纖芯，數(shù)值孔徑大幅度提高信息傳輸容量，耦合損耗低，機械性能良好，能夠承受反復的彎曲和震動，加工方便，只要普通的剃須刀片就能提供近乎精細研磨和拋光的端面，適合現(xiàn)場安裝，系比重比較?。ㄅc水相當，石英比重2。4左右），減少系統(tǒng)的重量價格低廉僅為石英的1/10耐輻照性能FTTH展望1。降低光損耗和增加傳送波長寬度杜邦公司開發(fā)的氘代甲基丙烯酸酯的光纖研究，已經(jīng)將20db/km降到比較完美的境界。并使有機光導纖維最佳工作波長延伸到了870nm，使用目前常規(guī)使用的鎵鋁砷激光器和發(fā)光二極管的820nm波長，接近石英光纖通訊水平。2。提高有機光導纖維熱性能有機光纖熱性能往往影響它們的性能，這個方面是有機光導纖維將來能否得到進一步發(fā)展的關鍵3。有機光導纖維的開發(fā)利用隨著有機光纖的性能的改善，其應用的領域也在不斷的開拓，有室內(nèi)裝飾向通訊領域發(fā)展。目前宇宙，軍事，空間等高科技領域都找到了潛在的發(fā)展。（保密性能好、不受干擾、無法竊聽）4?？傊袡C纖維是滲透多學科的研究結晶，他不僅帶動化學科學的發(fā)展，還在光電領域開拓新的領域，在整個光電科學領域中將產(chǎn)生革命性變化。有機非線性光學材料非線性光學機理

非線性光學效應是指強相干光（如激光）在非線性介質(zhì)中傳播時，光波與物質(zhì)分子相互作用，其電場引起介質(zhì)產(chǎn)生的非線性極化效應。非線性光學的重要價值

1960年激光器誕生以來，非線性光學得到了飛躍發(fā)展。以非線性光學為背景的光信息技術有許多優(yōu)點：并行性，高頻率，高帶寬，高密度，及耐電磁波雜音等。21世紀高速度傳輸，處理及運算大容量信息，有賴于非線性光學在光技術領域的應用。非線性光學效應對于發(fā)展全面固體光技術及其他光技術有著許多非常重要的作用.傳統(tǒng)的非線性光學材料

.磷酸二氫鉀(KDP)釩酸釔(YVO4)鉭酸鉀(KTaO3）磷酸二氘鉀(KD*P)白寶石(α-Al2O3)

LiNbO3

近來出現(xiàn)新的轉(zhuǎn)換效率高的優(yōu)質(zhì)的非線性光學材料

鈦酸鋇系列晶體KTP(KTiOPO4)BBO(BaB2O4)LBO(LiB3O4)

到目前為止,實用的非線性光學材料產(chǎn)品都是無機材料，主要是鐵電體及半導體。

高分子非線性光學材料的歷史有機非線性材料始于上個世紀60年代。1964年Rentzepis等人用紅寶石激光器觀察到苯并吡的二階高諧波；同年Heilmeir等人觀察到烏洛托品晶體的二階高諧波1968年Kurtz等人提出了粉末法半定量估計二階非線性諧波法。1976年Sauteret等人預言三次諧波非線性光學材料實用化的幾個基本條件：

非線性極化率較大，轉(zhuǎn)換率高光損傷閥值高光學透明而且均一的大尺寸晶體在激光波段吸收比較?。灰桩a(chǎn)生相位匹配化學及熱穩(wěn)定性較好，不易吸潮制備工藝簡單，價格便宜

遺憾的是目前還沒有任何一種有機非線性光學晶體全部滿足要求高分子體系的特點響應速度快，低于10皮秒非常大的共振光學效應低的直流介電常數(shù)，使器件要求小的驅(qū)動電壓；吸收系數(shù)低，僅為有機晶體及化合物半導體的萬分之一；優(yōu)良的化學穩(wěn)定性及結構穩(wěn)定性；系統(tǒng)不需要環(huán)境保護及低溫設施；激光損傷閥值可高達GW/cm2；機械性能好且易于加工的等等。使有機高分子可加工為各種不同的形式，例如均一的柔軟的膜，液晶聚合物，聚合物共混物及合金，分子復合物，纖維，塊狀物，LB膜。以上形式有利于控制尺寸及控制上折射系數(shù)。目前高分子非線性材料發(fā)展的水平目前的非線性光電市場中，無機占77%，其余都是半導體材料，這些材料與si一樣都是對于紅外區(qū)域是透明的。但是有機高分子材料發(fā)展迅速，無論是在基礎研究還是在商品化水平。目前：發(fā)展的聚合物的光電效應性能及SHG已與LiNbO3相同，而主要有待解決的就是發(fā)展高度透明膜及保持取向電場極化的穩(wěn)定性。對全光過程及其他的應用方面，如非共振型x3至少改善了3個數(shù)量級之后才能使用。

不管如何，目標明確后，必然加速了發(fā)展新概念及探求具有更高非線性而且低吸收系數(shù)材料的努力。未來的展望NLO聚合物適合干什么？二次諧波調(diào)節(jié)器多路驅(qū)動器中繼器神經(jīng)網(wǎng)絡空間光調(diào)制器件光信號處理通訊未來的展望NLO聚合物適合干什么？三次諧波光雙穩(wěn)態(tài)光開關全光過程數(shù)字式（光計算）信號處理并行串行非線性光學在光通信中應用光信頭處理光脈沖串輸入光脈沖輸入A非線性光纖環(huán)鏡（NOLM）構成異或門光脈沖輸入B100111000101A產(chǎn)生的相位B產(chǎn)生的相位相位差光XOR光閾值監(jiān)測本地標記發(fā)生器幀頭識別\地址匹配等。。。。。。。。。輸入光纖1輸入光纖M12...

N12...

N1NN11NMM光開關矩陣輸出光纖1輸出光纖M12...

N12...

N未來的展望光信頭處理全光信號處理：光信號處理即“光控制光”，通過光學非線性由一束光控制另一束光的振幅，相位，頻率，強度；初級階段的高速光信號處理：利用光纖交叉相位調(diào)制：同向相位變化相向相位變化控制光脈沖信號光脈沖輸入控制光脈沖輸入非線性光纖環(huán)鏡（NOLM）光脈沖串輸入光脈沖輸入A非線性光纖環(huán)鏡（NOLM）構成異或門光脈沖輸入B100111000101A產(chǎn)生的相位B產(chǎn)生的相位相位差光XOR光閾值監(jiān)測本地標記發(fā)生器非線性光學器件構成邏輯門光致色變與信息存儲技術什么是光致色變現(xiàn)象？

某些有機和無機化合物，在特定波長的光作用下，其顏色可發(fā)生可逆的變化，這就是光致色變現(xiàn)象。主要具有以下三個特點：

1）有色和無色的亞穩(wěn)態(tài)的可控可逆變化

2）分子規(guī)模的變化過程

3）亞穩(wěn)態(tài)間的變化程度與作用光強度呈線性關系。鍵的斷裂引起的光致變色互變異構引起的光致變色激光光盤技術三種常見的光盤激光光盤母盤的制作光致變色用于信息存儲的優(yōu)點儲存密度高光響應速度快抗磁防污性能好加工容易，成本低缺點：穩(wěn)定性差、光譜吸收范圍窄等未來的應用

光致色變現(xiàn)象最早在生物體內(nèi)發(fā)現(xiàn)的，距今已經(jīng)有近百年歷史，而隨后本世紀發(fā)現(xiàn)了無機和有機化合物的光致色變現(xiàn)象。并在涂料和光致色變眼睛和玻璃得到廣泛的應用。外加電場下一個方便而又切實可行的控制信息存儲的方法，在未來的高信息容量，高對比度和可控信息存儲時間的光紀錄介質(zhì)方面會得到進一步的應用。光刻膠與微電子技術微電子的發(fā)展1943年，英國，第一臺電子計算機“巨人”1946年，美國，“恩尼亞克”，每秒千次計算1948年，發(fā)明了半導體晶體管1958年，半導體表面技術出現(xiàn)了突破，在半導體表面可形成晶體管。硅即可是電子元件，又可成為電流的通路1971年，Intel公司制成CPU芯片集成電路的集成度每18個月翻一番的速度前進（摩爾定律）光刻與光刻膠－集成電路