第3章 光电材料-全.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三章 光电显示材料,信息功能材料,1.1,概 述,信息显示技术：,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。,常用的信息显示手段：,静态的：,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。,动态的：,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。,阴极射线管,(CRT),在,20,世纪初的出现，成为活动图像的主要显示手段。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，还需提高纯度，以增强显示亮度和色彩质量。,平板显示技术近年来发展的关键是解决体积过大问题，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。,在高清晰电视、可视电话、计算机、车用及个人数字化终端显示等应用目标的推动下，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。,光电显示材料的发展,3.2,光电显示物理基础,物理过程,光电,/,电光转换：,由载有信息的光子群构成的光信号变换为由载有信息的电子构成的电信号,(,或反之,),的过程。,光电效应,半导体对光辐射的吸收和由此引起的半导体性能的变化；,电光效应,半导体中光辐射的产生及电作用对于发光的激发；,半导体的辐射跃迁是半导体光电,/,电光转换的物理基础。,辐射跃迁：由电信号变换为光信号的发光过程；,无辐射跃迁：俄歇（,Auger,）复合、表面复合等；,影响半导体的发光效率！,一,、光辐射与光,光辐射是电磁辐射，具有波粒二象性,波动性和粒子性光的波动性：,可以解释反射、折射、衍射和偏振等现象。,光的粒子性：,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，主要涉及光辐射和半导体的相互作用；,显示技术中主要考虑光的粒子性。,可见光是波长范围很窄的一部分光辐射，其颜色决定于光的波长。,白光是各种单色光的混合光。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,的属可见光，波长大于,770nm,的是红外辐射。,辐射的电磁波谱：,根据光的粒子性：,光与材料发生作用时是以不能再细分的微粒即光量子为单位进行的,光强度的大小与光子数成正比。,单个光子的能量：,E,=,h光的波长,0,与能量的关系可以近似地表示为：,可见，光子能量越大，波长就越短。,可见光从红光到紫光的光子能量范围是,1.6,3.2eV,；,通常光辐射的光子能量范围为,1.24,10,-3,1.24,10,2,eV,。,同时光子也具有一定的动量,P,，,即,式中,h,普朗克常数；,k,光子的波矢。,此外，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，并由此来决定有关的电子跃迁过程。,光子以光速运动。光子具有一定的运动质量，其大小与光的频率,或波长,0,有关：,二、半导体的辐射跃迁,辐射跃迁：,伴随有发射光子的电子跃迁。它是与吸收跃迁相反的过程。,当电子从较高能级跃迁到较低能级时，这两个能级的能量差可以由电磁辐射的形式发射出来。在辐射跃迁中作为初态的较高能级和作为终态的较低能级是各式各样的，可以是基本能带能态，也可以是杂质能级，或者一个是能带能态，另一个是杂质能级。,各种不同的辐射跃迁机理就是由这些能态的不同情况决定的。,1,、本征辐射跃迁,发生辐射跃迁的条件：,系统处于非平衡状态。,若某种产生非平衡载流子的激发作用于半导体，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的带间辐射跃迁。,根据半导体能带结构的不同，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：,由于直接带隙半导体的吸收系数较大，与之成正比的辐射强度也较强。从而，很多发光器件是采用直接带隙半导体制造的。,2,、间接辐射跃迁,在间接带隙半导体中,可发生从导带所有被占态至价带空态的辐射跃迁。但为了满足动量守恒，必须涉及中间过程。可能性最大的满足动量守恒的中间过程是发射声子（或吸收声子）,间接辐射跃迁。,间接跃迁的发射光谱特点为间接带隙半导体的吸收系数大体上与,(,h,-E,g,),2,成正比。,直接跃迁与间接跃迁的区别：,在能量超过辐射阀值时两者的增长速率不同（间接跃迁较快,如图），但由于间接跃迁几率要比直接跃迁几率小的多，所以间接跃迁的辐射强度要比直接跃迁要弱的多。,自吸收（或再吸收）：,半导体对于自己本征辐射的吸收作用。,自吸收会影响出射的光谱形状。在间接带隙半导体中，存在直接本征辐射的自吸收过程。,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的关系做一定的修正。,例：锗的出射本征复合发射光谱（厚度为,1.3,10,-3,cm,的样品）：,曲线,1,是出射光谱的实验曲线，在,=1.75m,处出现一个辐射峰。该峰决定于由导带,L,能谷至价带顶的间接辐射跃迁。,该曲线与理论曲线不完全符合！,理论计算得到的发射光谱曲线，除了波峰外，在,=1.52m,处还应该有一个更强的辐射峰。,对自吸收进行修正后的发射光谱曲线,2,与理论曲线一致。在,=1.52m,处的辐射峰可能是由导带,T,能谷至价带顶的直接辐射跃迁所引起。,从曲线,1,可见，尽管直接跃迁产生的较高能量的光子被强烈地自吸收，但在样品很薄时，还是可以检测到一部分较高能量的辐射。这是由于直接跃迁几率比间接跃迁几率要高的多的原因。,2.,激子辐射复合,（,1,）自由激子,自由激子：,如果激子可以在晶体中运动而不形成电流的激子。,如果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可以以一定的寿命存在，在激子湮没,(,即复合而消失,),时，其能量可以转化为光能即发射光子。,这时在发射光谱,(,h,E,g,处,),上可以见到窄的辐射谱线。这就是激子辐射复合。,激子,在光子的作用下，价带的电子受到激发但尚不能进入导带成为自由电子，即仍然受到空穴库仑场的作用，形成相互束缚的受激电子,空穴对，对外呈中性，这种彼此相互束缚的受激电子和空穴组成的系统称为激子。,在直接带隙半导体中：,自由激子复合,通过直接辐射跃迁所发射光子的能量为,h,=,E,g,-,E,x,式中,E,x,自由激子的束缚能或离解能。激子受激状态的离解能为,n=1,的激子基态离解的,1/n,2,。在,n=,时离解能为零。使得自由激子复合所产生的光辐射可以由一系列窄谱组成。随,n,的增加，辐射谱线迅速减弱，同时当存在别的辐射过程时难以分辨出这些,n,大的激子辐射（如低温时在高纯的砷化钾光致发光光谱上仅识别到了,n=1,和,n=2,的自由激子复合耦合辐射谱线）。,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。这时所发射光子的能量应为,h,=,E,g,-,E,x,-E,p,使得在间接带隙半导体的激子复合发射光谱中观测不到无声子谱线。,附带发射声子的间接跃迁不仅发生于间接带隙半导体的自由激子复合中，而且也常常发生在大多数直接带隙半导体的自由激子复合中。,间接跃迁中激子的热动量交给声子。在这样的间接跃迁中可以发射一个或多个声子。,(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。,构成这种激子的电子和空穴局限于杂质中心附近，而不能在晶体中自由运动。,受到电离施主或受主束缚的激子可以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的激子。,谱线特点：,1,、,束缚激子进行辐射复合时,可以产生相应的辐射谱线。由于束缚激子不能在晶体中运动，其动能接近于零，因此，一般束缚激子的辐射谱线比自由激子的要窄得多（如，在,GaAs,中束缚于浅杂质的激子谱线宽度约,0.1meV,，而自由激子的约,1meV,）。,2,、,与自由激子不同，束缚激子辐射谱线宽度不随温度变化。,3,、,束缚激子的基态能级位于自由激子基态能级之下，因而，,在其他条件相同的情况下，束缚激子的辐射谱线相对于自由激子谱线向波长较长的方向移动。,3.,能带与杂质能级之间的辐射跃迁,1),浅跃迁,电子从导带至电离的浅施主或从电离的浅受主至价带的辐射跃迁。,由杂质电离能决定的发射光子的波长位于远红外区,.,实际观测到如锗与浅杂质态有关的辐射复合的辐射功率很小,(3,10,-12,W),，表明跃迁中除辐射跃迁外，还可能有发射声子的无辐射跃迁。,计算表明，无辐射跃迁几率要比辐射跃迁几率大的多，它可以成为浅跃迁的主要机理。,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,),，首先导带的电子被俘获于施主中心较高的受激态，然后在逐步跃迁到较低的能态，再向下每一步跃迁的同时发射声子。,(2),深跃迁,深跃迁指的是导带向受主能级或者从施主能级向价带的跃迁。,与导带至价带的本征跃迁相比，深跃迁的几率要低的多。,大多数直接带隙半导体的电子有效质量比空穴有效质量小得多，因此，施主电离能小于受主电离能：,可以通过发射光谱上辐射峰的位置来区分两种深跃迁,:,从,导带至受主能级的辐射跃迁,，产生能量较低的辐射峰,;,从,施主能级至价带的辐射跃迁,，产生能量较高的辐射峰。,4.,施主与受主间的辐射跃迁,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的辐射跃迁,被施主束缚的电子和被受主束缚的空穴相结合，同时发射出能量低于半导体禁带宽度的光子。这是一种重要的半导体发光机制。尤其是对于间接带隙半导体来说，因为只能利用与杂质有关的发光机制，其中包括施主与受主间的跃迁辐射。目前有的二极管,(,例如,GaP,发光二极管,),只是利用了这种辐射跃迁来发光。,由于这种辐射复合是以同时存在施主和受主杂质为必要条件，而具体的复合过程是在成对的施主与受主之间发生的，所以常称为,施主,受主对辐射复合,。,施主,受主对辐射机理具有三个重要特征,:,一是如果施主或受主能级不深，这种辐射跃迁可以在施主与受主间距离范围很宽的对中发生；,二是复合时所发射的光子能量为施主,-,受主对与距离,r,的函数,(,h,=,E,(r),),，且随距离的减小而增加；,三是辐射跃迁的几率,W(r),随距离的增加而降低。,这些特征导致在发射光谱上表现出特有的光谱结构特性：,1,、在发射光谱上可以同时观测到尖细的分离谱线和宽的辐射带，当激发停止后，发光衰减时，辐射带的峰随时间而移向较低的能量值。,2,、连续激发时，辐射带的峰随激发强度的增加而向较高的能量方向移动。,3,、施主,受主对复合发射光谱的形态和辐射带峰的能量位置随温度而变化。,半导体中，在辐射复合的同时也常常发生无辐射复合，并且有些情况下无辐射复合可以是主要的复合过程。,有时辐射内量子效率可以比,1,小得多，甚至小的微不足道。相应的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的辐射复合寿命为,0.3s,，但实际测得寿命为毫秒数量级，有时甚至低于,1,s,。因而在锗中存在无辐射复合过程的可能性比辐射复合至少要大,1000,倍）。,在研究半导体中电子和空穴对的复合问题时，不仅需要考虑辐射复合，而且需要考虑无辐射复合。,在复合机理研究方面具有重要的,理论意义,，对提高材料与器件的辐射效率也有一定的,实际意义,。,三,.,半导体的无辐射复合,无辐射复合过程理解是比较困难的：,1,、无辐射复合机理不清：,辐射复合的定义十分清楚，是指在跃迁的过程中伴有发射光子的复合，其由跃迁过程所涉及的初态决定的机理也很清楚。但是无辐射复合却只是比较含糊地指某种不发射光子的复合过程，至于复合的机理以及能量什么方式释放，则比较复杂。,2,、,无辐射复合的过程研究比较困难：,如果说每一种辐射跃迁机理为发射光的性质带来一定的特征，从而可以进行观测的话，对于无辐射，则几乎没有直接的特征可以观测，往往只能根据一些间接的数据,(,例如,辐射效率的降低,.,载流子寿命的缩短以及复合过程受温度或载流子浓度的影响等,),来分析。,半导体无辐射复合过程的分类：,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,),的相互作用（即发生碰撞）所引起。,一个电子和一个空穴相复合时，所释放出的能量及动量交给第三个载流子，它可以通过发射声子将此能量耗散，或者引起其他的效应（与碰撞复合相反的过程是碰撞电离，具有足够动能的电子或空穴会产生新的电子,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,),：包括晶体内部缺陷或掺杂物的微观内部表面,;,3,、多声子复合,:,等,2.,表面复合,通常晶体表面层的光致发光效率比晶体深处要低得多，这是由表面上特有的无辐射复合作用,表面复合所引起的。,实际晶体的表面远不是理想的，他们会有凸点、凹点、吸附原子和未填满原子的晶格结点等。有时半导体表面还覆盖一薄层氧化膜，这些情况又会引起上述以外的表面态。,可设想有两种表面态：一种是仅仅由理想表面引起的，另一种是由实际表面的缺陷、杂质等引起的。一般认为，表面态位于禁带之中，,大量存在的表面态具有俘获载流子的本领，但并不是所有的表面态都是俘获中心，而只有在一定的条件下才能表现未俘获中心。,对于表面态表现为复合中心的条件和机理目前还不清楚！,3.,缺陷或掺杂物的复合,实际半导体内含有局部缺陷及微小掺杂物,;,局部缺陷及微小掺杂物可以像微观内部表面或金属掺杂物那样建立起连续或准连续的能级谱；,这些连续或准连续的能级谱则可能发生与表面复合相类似的内表面复合过程。,4.,多声子复合,多声子复合,无辐射复合可以通过发射声子来实现，这时受激电子的能量转变为晶格振动的能量，但需要以较高的几率发射一定数目的声子，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的情况如果假设禁带中不存在把导带和价带相搭接的连接状态分布，则发射多声子的复合跃迁几率应该是很低的。,由于一次发射多个声子的几率很低，有人提出通过一连串逐次单声子发射来实现这种无辐射复合的可能性要大些。,逐级过程要求复合中心局有以适当间隔分布的足够数量的激发能级。,超过发光体所处温度下热辐射的辐射,并且这种辐射具有超过光振动周期的持续时间（魏德曼,-,瓦维洛夫发光定义！）。,激,发,方,法,(1),光致发光,受入射光的激发,(2),化学发光,由化学反应引起,(3),摩擦发光,由机械作用引起,(4),阴极射线致发光,由阴极射线作用引起,(5),电致发光,在电场直接作用下,1.,发光分类,(1),荧光持续时间,10,-8,s,持,续,时,间,四、电致发光,2.,电致发光的特点,电致发光的两种基本形式,:,一、由于载流子注入晶体中及随后的复合所引起,;,二、由于粉末材料在强电场作用下通过碰撞电离激发而产生。,特点：,1,、直接将电能转换为光能，这是一种最直接的光激发方法，也是电致发光的最根本的特点；,2,、发光体属于整个电路的一部分，并且有一部分非平衡载流子可以被电场从发光体引出到金属电极或别的非发光材料；,3,、样品本身以及样品上电致发光存在不均匀性；,4,、非平衡载流子的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，由于载流子被周期性地引到表面，因此与光致发光相比较表面陷阱和复合中心的作用增大，这将影响到发光效率。,3.,电致发光的机理,关键：,增加晶体中载流子浓度；,两种主要方法,:,1,、晶体中已经存在的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,、电场向固体中已有的载流子提供势能，通过改变它们的空间分布而激发。,具体：,1,、注入式；,2,、碰撞电离；,3,、隧道效应；,(1),注入式发光,正向偏置的,p-n,结：,通过施加正向电压使得势垒高度降低而导致电流通过；,异质结：,利用禁带宽度不同的两种半导体构成；,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,),。,异质结,利用禁带宽度不同的两种半导体构成,正向偏置的,p-n,结：,通过施加正向电压使得势垒高度降低导致电流通过,肖特基势垒,加上正向电压势垒降低,少数载流子注入,这时注入的少数载流子,可以与半导体的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的空穴进行辐射复合,;,在,(b),中价带电子通过隧道效应进入金属而在半导体中留下空穴,它可与导带的电子进行辐射复合,.,(2),碰撞的电离激发,在电场作用下，被加速的电子与晶格原子或发光中心发生非弹性碰撞作用，失去从电场得到的部分能量，并产生新的载流子，新的载流子又被电场加速，在足够强的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,在足够强的电场作用下，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的势能，这就是隧道效应。,3.3,光电显示材料和器件的基本特性,信息显示材料是信息技术的基础，其功能就是把人眼睛看不到的电学信号转换成可见的光学信号。,100,多年前德国布朗发明了阴极射线管,(CRT),，从此开始了光电显示时代。但由于,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),技术的发展。,一、显示材料特性,显示材料是指把电信号转换成可见光信号的材料。从材料工作机理上，可以将信号显示材料分为发光显示材料和受光显示材料。,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、能量传播、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。无论采用什么方式激发，发光显示材料要辐射可见光。,发光材料禁带宽度,E,g,应满足,E,g,h,的可见光。,受光显示材料：,是利用电场下材料光学性能的变化实现显示的，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。,液晶分子具有各向异性的物理性能和分子之间作用力微弱的特点，在低电压和微小功率的推动下会发生分子取向改变，并引起液晶光学性能的很大变化。因此，液晶的这些特性可应用到显示技术中。,二、光电显示的分类,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,的不足。,直视式：显示的主体，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；,三、显示器件的基本特性,亮度：垂直于光束传播方向单位面积上的发光强度；,发光效率：显示器件辐射出单位能量,(W),所发出的光通量；,对比度：显示部分的亮度和非显示部分的亮度之比；,分辨率：像元密度和器件包含的像元总数；,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的时间，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的时间；,寿命和稳定性：初始亮度衰减一半所需时间；,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：,一、电子束显示器件的基本特性,在电子束激发下发光的材料，又称阴极射线发光材料，主要,用于电子束管、荧光显示屏的制作。,阴极射线管,CRT,（,Cathode Ray Tube,）,（,1,）,CRT,荧光粉,阴极射线发光材料具有高的发光效率和各种各样的发射光谱，光谱包括可见光区、紫外区和红外区。,CRT,发光材料的制备工艺可分为原料的制备、提纯、配料、灼烧、后处理等几个部分。,原材料要求有较高的纯度，即使有害杂质的含量极小，也会使发光性能有明显变化。,3.4,发光显示材料,(2),纳米材料,1,）发光效率,阴极射线发光的能量效率,表示为整个发光过程各阶段过程效率的乘积，即,=,(1-,)(,h,/,E,),S,Q,背散射因子,S,由电子,空穴对到发光中心的能量转换成的量子效率,Q,发光中心内部辐射跃迁的量子效率,E,值与材料禁带宽度有关，一般取禁带宽度的,2-3,倍。,主要取决于组成发光粉元素的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”一般为,12kV,。因而，,FED,发光粉的发光效率更为突出。由于加速电压低、电子穿透能力强，只有发光层浅表面被激发，增加电流密度，导致发光容易饱和。,3,）纳米材料,纳米材料有望解决发光粉颗粒尺寸和发光粉表面层无辐射中心的问题。,110nm,尺寸的纳米材料就完全满足,HDTV,（高清晰度电视）的高分辨显示要求。如ZnS:Mn,纳米晶粒含有一个,Mn,电子时，量子效率最高,(25%),，表明纳米材料是有前途的,FED,和,HDTV,发光材料。,（,3,）,CRT,的工作原理,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，从而显示图像的器件。所谓发光就是将处于低能量状态的电子激发到高能量状态，然后被激发的电子从高能量状态返回到低能量状态，将这个能量差以光的形式释放的现象。,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,年发现，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。不同的是,CRT,是将阴极加热，而,FED,不用热阴极。另外，,CRT,的每一个电子射线源都使用一个热阴极，而,FED,是把无数微米尺寸的微小阴极配置在平面上，阴极和阳极间的间隔为,200,m,至几毫米左右，从而实现了平板显示。,（,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的发光材料，但加速电压不同。,CRT,加速电压为,1530kV,，,FED,为,300V8kV,，,VFD,为,20100V,。,CRT,采用逐点扫描方式，寻址时间短，约为纳秒量级。而,FED,采用矩阵逐行扫描方式，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,粉容易发光饱和并老化。,开发新型,FED,发光粉是,FED,显示的当务之急：,CRT,硫化物荧光粉；纳米碳管结构等。,（,3,）冷阴极材料,CRT,和,FED,的主要区别在于阴极结构和材料。前者采用热阴极；后者采用平面阵列的微尖阴极,(FEA),。在室温下，可利用微尖形成强电场并发射电子。因此，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。,3.,真空荧光显示,(VFD),VFD(Vacuum Fluorescence Display),是,1967,年由伊势电子公司开发的光电显示器件，主要作为文字和数字的显示器件。,VFD,显示的电光特性与,CRT,一样，为阴极发光。只是激发荧光体的方式与,CRT,不同。,CRT,是以,10kV,左右的高电压加速的数十微安的电子流激发荧光体；而,VFD,则是以数十伏电压的低速的数十毫安的电子流激发荧光体。,（,1,）基本原理和结构,和,CRT,不同的是，,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、控制电子流的栅极以及表面涂有磷光物质的阳极和支持该阳极的村底所组成。,VFD,的彩色显示一般利用,ZnO:Zn,的宽频响应的发光光谱，并采用一定方式的阳极结构，在透光性阳极下设置彩色滤光片，以彩色滤光片的透过光进行多色显示。在这种情况下，,VFD,的显示在一般结构的相反的一侧，称为透视型。,（,2,）驱动方式,VFD,所适合的住要显示形态为笔段型。但随着光刻技术的采用、内部结构的改进、多路驱动方式的应用，小规模点阵显示也得以实现。,1,）静电驱动：用于位数少的数字显示等笔段显示，驱动电,压为,1015V,。,2,）动态驱动（时分驱动）：用于位数多的数字的笔段显示，,为简化面板内的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。,3,）点阵显示：点阵显示用于图片、汉字等的复杂显示的驱动方式。,4,）点字符显示：点阵驱动的一种，一般一个文字由,5,7,个点组成，可以把它纵横配制起来显示数百个文字。,5,）有源矩阵驱动：,VFD,是电流驱动的，所以在其开关元件上采用了能提取电流密度的单晶硅,LSI,。并有用多晶硅,TFT,的尝试，但其清晰度、彩色显示、对比度均比,LCD,差，尚没有达到实用化水平。,二、电场激发显示材料,用交流电压或直流电压都可能获得场致发光，只是所用的发光材料不同。,当前，在场致发光材料中，最受人们重视的是薄膜。薄膜型场致发光材料不需要介质，而且可以在高频电压下工作，发光亮度高，使用寿命长，达到,10,5,h,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的现象。包括高电场发光（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，后者一般是晶体材料。两者的发光机理和器件结构都有区别。,（,1,）无机电致发光材料,1,）粉末发光材料,ZnS,是粉末电致发光的最佳基质材料。这种材料对,ZnS,纯度要求高，同时要求结晶状态好，有较好的分散性和流动性。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。,2,）薄膜发光材料,将发光体制成薄膜后，在电场作用下发光，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构成的。绝缘层在防止发光层绝缘破坏的同时还具有给发光层加上稳定强电场的功能。,在绝缘层和发光层的界面上因晶格失配和晶格缺陷而产生界面能级，被这些界面能级俘获的电子在强电场的作用下因隧道效应而进入发光体的内部。进入导带内的电子又在强电场的作用下加速，并以很大的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。,（,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广阔的应用前景。它具有驱动电压低、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，是传统的无机电致发光材料和液晶显示器无法比拟的。,1,）有机,EL,的工作原理,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,夹住而形成的。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到达发光层。,在发光层内载流子（电子和空穴）,复合产生单态激子，最后单态激子,辐射衰减导致发光。,2,）有机薄膜型,EL,的特性,:,一、是它可以在比较低的电压（,5V,至几十伏）下工作；,二、是有机物可以进行多种组合，较易控制发光颜色；,三、是可以得到微妙量级的高速响应。现在的关键问题,是提高寿命。,3,）有机电致发光材料特性,有机电致发光材料包括有机小分子材料和聚合材料两大类,:,好的电致发光材料应有利于空穴和电子的注入，即具有小的,I,th,和大的电子亲和能，所以，电致发光应具有一个适中的,I,th,值，且常常需要载流子注入材料的辅助。芳香族胺类材料是主要空穴传输材料，具有较高的空穴迁移率，且离子化势低、亲电子力弱、禁带宽。,OEL,薄膜厚度微小厚度不均匀或微晶物等容易引起电击穿，成膜过程中应防止各层膜材料结晶化。面材料与电极直接接触，容易与氧或水分产生化学反应，影响寿命，这是当前,OEL,应用中的难题之一。,2,、发光二极管（,LED,）,（,1,）,材料特性和发光机理,LED,是,p-n,结合征发光器件，一般使用单晶或单晶薄膜材料，发光颜色取决于单晶材料的禁带宽度。要获得各种颜色的,LED,，并且高效率发光，,LED,材料应具备,3,个条件：一是容易控制材料的导电性；二是对发射光的透明性好；三是发光跃迁几率高。,特点：,1,）容易控制材料的导电性：,离子性化学键占主导的宽禁带,II-VI,族材料的导电性难以控制。随着化学键中键成分的增加，材料整体保持电中的能力变强。在掺杂过程中自发形成电中性和缺陷的现象称为自补偿效应。,2,）对发射光的透明性好,半导体和绝缘体材料具有吸收端。当光能量高于吸收端时，光被吸收，不能透过。材料的光吸收端就是该材料的禁带宽度。,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接近零。满足这种条件是，光吸收或光辐射过程的跃迁几率高。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。,（,2,）材料制备,LED,衬底材料是单晶体，生产时一般采用水平布利兹曼法和液封提拉法。为了提高发光效率和寿命，需要进一步降低缺陷密度。,（,3,）,GaN,系蓝光,LED,GaN,具有宽的直接带隙,(,E,g,=3.4,eV,),、强的原子键、高热导率和强抗辐射能力，不仅是短波长发光材料，也是高温半导体的换代材料。由于,GaN,单晶制备困难、薄膜晶体质量不高以及缺陷和背景施主浓度过高等原因，限制了这种材料的发展进程。随着半导体薄膜生长的发展，特别是分子束外延、金属有机化合物化学气相淀积以及,VPE,、,LPE,技术的发展，给,GaN,系材料带来了生机。,三、等离子体显示,(PDP),材料,PDP,是自我发光型显示器件，它的发光原理与荧光灯相同。荧光灯是含水银蒸气的真空管，在它的管壁上混合涂上可以发出,R,、,G,、,B,三色光的荧光体。由于放电效应，电子和水银处于等离子状态。在两者碰撞时，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，紫外线激发管壁上的荧光体，荧光体回到基态时可以发射出可见光。,1,、,气体材料,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，因此其显示是单色的。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,原子容易电离。,2.,三基色荧光粉,PDP,使用的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，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,）在真空紫外光和高于轰击下稳定性好；,（,5,）涂粉和热处理工艺具有稳定性；,（,6,）余辉时间短；,其中在真空紫外光激发下，发光效率和稳定性是至关重要的参数。,PDP,三基色荧光粉应具有远紫外光且发光效率高，同时要求在紫外光辐射照和气体放出离子条件下具有稳定性。,材料的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。一般对基质晶体激活发光来说，要保证高的跃迁几率，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构成的,。,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，,因此对玻璃基板要求高。通常烧结温度在,450600,之间，封接温度为,380400,。,3.5,受光显示材料,1888,年奥地利植物学家,Reinitzer,发现了热致液晶，至今已有,100,多年的历史。所谓液晶是介于晶体和液体之间的中间态。,液晶分子结构决定了液晶具有较强的各向异性的物理性能，稍改变液晶分子取向，就会明显地改变液晶的光学和电学性能。,利用外加电压改变液晶的取向，以改变其双折射、旋光性、圆二色性或者光散射等光学特性而显示信息。液晶分子之间作用力是微弱的，要改变液晶分子取向排列所需外力很小。例如，在几伏电压和每平方厘米几微安电流下就可以改变向列液晶分子取向。因此，液晶显示具有低电压、微功耗的特点。,在液晶显示技术发展过程中，液晶材料起着十分重要的作用，每一种新的显示方式的实现都伴随着新的液晶材料的出现。,一、液晶显示材料,液晶是有机化合物，它是一种从晶体熔融状态变化为各向同性的液体的一种中间状态。这种混浊状态的液体具有液体的流动性，同时又具有晶体的各向异性，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。,根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。,根据液晶形成的条件和组成，可以将液晶分为热致液晶和溶致液晶两大类。热致液晶的液晶相是由温度变化引起的。,1.,液晶分子结构和分类,（,1,）棒状液晶,棒状液晶分子是由中心部和末端基团组成的。中心部和末端基不同组成形成不同液晶相和不同物理特性。当棒状分子几何长度,(L),和宽度,(d),之比大于,4,时，才具有液晶相。,（,2,）液晶相,热致液晶分为：,向列相,(nematic),胆甾相,(cholesteric),近晶相,(smectic),等,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,cos,2,i,的平均值；,i,为指向矢,n,和某一液晶分子长轴间的夹角。,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,；,一般向列相,S=0.50.6,。,（,1,）向列相,向列相液晶棒状分子大体上平行排列，质心位置没有长程有序性具有类似普通流体的流体性。即，向列相液晶材料分子的取向是长程有序的，分子的重心分布是无规则的，是应用最广泛的液晶材料。,胆甾相是向列型液晶的一个特例，可以看做由向列相平面重叠而成，平面内分子互相平行，但层与层之间分子的长轴稍有变化，分子取向是连续扭转的，呈螺旋结构。,胆甾相液晶的螺旋状结构具有特殊的光学性质，如选择性反射光在热色显示中有特殊的应用，并且随着温度的变化所显示的颜色也发生变化，可以用来检测物体表面的温度分布以及微波场的温度分布等。,2,）胆甾相,近晶相液晶是由棒状分子分层排列组成的，层内分子互相平行。分子质心只在层内无序，具有流动性，其规整性近于晶体，是二维有序。,该类液晶的黏度较大，液晶显示中一般不采用这种液晶。,3,）近晶相,在显示器件中，最常用的液晶是由简单棒状分子结构组成的向列型液晶；为将这种液晶用于显示器件，需要将棒状分子按照一定的方向排列，通常将它称为相处理。,液晶显示的主要优点是功耗低，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。,彩色液晶显示为发展方向的主流：,1,）在外部电场的作用下材料的光学性质发生变化，通过这种变化改变颜色。,2,）彩色的形成依靠外界因素。如采用三基色的缎子束管作光源、使用双折射薄膜等方式实现彩色显示。,2,、液晶调制和开关的工作原理,常见有,4,类组合用于实现液晶