現(xiàn)代電子材料與元器件

1、第六章 光電子材料與器件,光電工程學(xué)院微電子教研中心馮世娟fengsj@cqupt.edu.cn,6.1 概述,光電子材料是指應(yīng)用于光電子技術(shù)領(lǐng)域，具有光學(xué)和光電功能光電子材料特性的材料的總稱。 19世紀(jì)70年代到1960年以前，光學(xué)與電子學(xué)仍是兩門獨(dú)立的學(xué)科。1960年，美國梅曼成功研制第一臺激光器－－紅寶石激光器，引起連鎖反應(yīng)。20世紀(jì)70年代，低損耗的光纖、半導(dǎo)體激光器的成熟、CCD問世，導(dǎo)致光信息技術(shù)蓬勃發(fā)展。20

2、世紀(jì)90年代，光電子技術(shù)在通信領(lǐng)域和光存儲方面取得了極大成功。21世紀(jì)是信息化的世紀(jì)，信息與信息交換的爆炸性增長對信息的采集、傳輸、處理、存儲與顯示提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。,6.1 概述,光源,,傳輸,,轉(zhuǎn)運(yùn),,探測,,顯示,非線性光學(xué)效應(yīng)：開關(guān)、調(diào)制、隔離、偏轉(zhuǎn)、變頻等光學(xué)功能器件,6.2 光纖,由于激光在大氣中傳播時(shí)，會受到雨、雪、灰塵和云霧等的吸收、散射而衰減。因此，需要一種設(shè)備引導(dǎo)光束的傳播，使光束的能量在橫截面上受限，并使損耗

3、最小，這種設(shè)備稱為介質(zhì)光波導(dǎo)。光波導(dǎo)主要有三種：平板波導(dǎo)、矩形波導(dǎo)和光導(dǎo)纖維（光纖）。光纖通信已經(jīng)無可爭辯的成為現(xiàn)代通信最重要的主力軍，成為信息高度公路的基石，在現(xiàn)代信息社會發(fā)揮著越來越大的作用。目前石英光纖在0.85μm，1.3μm，和1.55μm波長時(shí)，衰減特性已接近理論上的極限值。,6.2 光纖,光導(dǎo)纖維經(jīng)歷了四個(gè)重要階段短波多模光纖時(shí)代，0.85um，最低損耗為2.5dB/km，傳輸速率為45Mbits/s；長波長多模

4、光纖時(shí)代，1.31um，傳輸速率有很大提高 長波長單模光纖時(shí)代，1.31um，最低損耗為0.27dB/km，傳輸速率為600Mbits/s，無中繼距離可以達(dá)到30km；高速光傳輸時(shí)代， 1.55um，最低損耗為0.16dB/km，傳輸速率達(dá)到10~40Gbits/s 以上,6.2 光纖,光導(dǎo)纖維除了用于通信之外，還在電子光學(xué)、光學(xué)儀器、醫(yī)療器件、傳感器等諸多方面獲得應(yīng)用比如光纖內(nèi)鏡，胃鏡比如光纖耦合激光二極管便攜式腦外傷檢測儀

5、比如柔性激光手術(shù)刀 本節(jié)主要介紹光纖的結(jié)構(gòu)與工作原理、種類、制備工藝及應(yīng)用,6.2 光纖,1 光纖的結(jié)構(gòu),圖6.1 光纖結(jié)構(gòu)示意圖,一般可以分為三部分：纖芯、包層和涂覆層。纖芯是由高透明度的材料制成的，一般為玻璃，位于光纖中心部分，其折射率較高；包層位于纖芯外面，其折射率略低于纖芯；最外面的是涂覆層。在涂覆層往往還加有塑料外套。,光纖的基本結(jié)構(gòu)一般是雙層或多層的同心圓柱體。,6.2 光纖,2 光纖的工作原理,光在均勻的介質(zhì)中沿直線

6、傳播，但傳播速度依介質(zhì)不同而不同。光密介質(zhì)和光疏介質(zhì),6.2 光纖,2 光纖的工作原理,光纖由折射率較高的纖芯和折射率較低的包層組成。光束就是借助纖芯和包層之間多次全反射，而沿光纖傳輸?shù)摹?,6.2 光纖,2 光纖的工作原理,,其中θ’c稱為孔徑角，當(dāng)光纖端口的入射角小于該角時(shí)，光在光纖內(nèi)滿足全反射條件，即光能在光纖內(nèi)傳輸。,6.2 光纖,2 光纖的工作原理數(shù)值孔徑是光纖可接收光輻射角度，表征光纖和光源、光檢測器及其它光纖耦合時(shí)的

7、耦合效率的重要參數(shù)，對連接損耗、彎曲損耗以及溫度特定、帶寬都有影響。NA越大，光纖接收光的能力越強(qiáng)。但NA太大，在光纖的?；冊酱?，會影響光纖的帶寬。所以在光纖通信中，NA不能太大。對于單模光纖，△大約為0.3~0.6%；對于多模光纖，△大約為1~2%。,6.2 光纖,包層為光的傳輸提供反射面和光隔離，并起到一定機(jī)械保護(hù)的作用。由纖芯和包層組成的光纖稱為裸光纖，如果直接使用這種光纖，由于裸露在環(huán)境中，容易受到外界溫度、壓力、

8、水汽等的侵蝕。為了增強(qiáng)裸光纖的柔韌性、機(jī)械強(qiáng)度和老化特性，保護(hù)其不受水汽的侵蝕和機(jī)械擦傷，在包層外面增加了涂覆層。由于不同的導(dǎo)光要求，包層有的是單層，有的是多層。涂覆層一般分為一次涂覆層和二次涂覆層，二次涂覆層是在一次涂覆層的外面涂上熱塑材料，又稱套塑。光纖的套塑又分為緊套和松套兩種。經(jīng)過涂覆并經(jīng)過檢切合格的光纖稱為纜芯。,2 光纖的工作原理,6.2 光纖,3 光纖的種類,6.2 光纖,3 光纖的種類按照折射率分布,圖6.2 光纖

9、的種類及折射率分布,階躍型多模光纖和單模光纖的折射率分布都是突變的，纖芯折射率分布均勻，而且具有恒定值n1，而包層折射率則為小于n1的常數(shù)n2。二者的區(qū)別僅在于，后者的芯徑和折射率差都比前者小。,梯度型光纖的纖芯折射率是隨著半徑的增大而逐漸減小，而包層的折射率分布則是均勻的。,6.2 光纖,3 光纖的種類按照材料分1) 石英玻璃光纖 2) 多組分玻璃光纖 3) 塑料光纖 4) 紅外光纖,石英光纖的纖芯和包層都由高純度的S

10、iO2摻有適當(dāng)?shù)碾s質(zhì)制成。這種光纖的損耗低，強(qiáng)度和可靠性較高，應(yīng)用最為廣泛。,多組分玻璃光纖的主要成分為SiO2，約占百分之幾十，此外還有其它玻璃形成體及改性劑。其特點(diǎn)是熔點(diǎn)低，適于制作大芯徑、大數(shù)值孔徑光纖。因其損耗較大，通信上極少采用。但此類光纖易做到大的數(shù)值孔徑，與光源或檢測器的耦合效率高，可用于對損耗要求不太苛刻的傳感器等領(lǐng)域。,纖芯、包層均由高分子聚合物材料構(gòu)成。優(yōu)點(diǎn)是柔韌、制造簡單、芯徑和數(shù)值孔徑較易做大(可分別達(dá)到0.8~

11、1.0mm和0.4~0.6mm)、耦合容易；缺點(diǎn)是損耗較大。因此適于短距離小容量通信系統(tǒng)應(yīng)用。,非硅基質(zhì)的玻璃材料，加重金屬氧化物玻璃等紅外材料構(gòu)成。光學(xué)損耗本約為石英玻璃的十分之一至千分之一，可實(shí)現(xiàn)幾千甚至上萬公里無中繼通信。,6.2 光纖,4 光纖的制備 主要包括原料的制備與提純、預(yù)制棒或晶錠的制作與拉絲,拉絲即從制得的預(yù)制棒拉出一定直徑細(xì)絲的過程，其中關(guān)鍵是要保持芯包比和折射率分布不變。,通過改變光纖拉絲速度控制光纖外徑。

12、光纖在進(jìn)行保護(hù)塑料涂覆前，應(yīng)有足夠的冷卻時(shí)間，且涂覆應(yīng)保證涂層和光纖的同心度。,6.2 光纖,4 光纖的制備氣相沉積技術(shù)非氣相沉積技術(shù)直接熔融法 界面凝膠法 澆鑄法 擠出法,氣相和非氣相兩大類別主要是根據(jù)預(yù)制棒的工藝差別劃分的，即前者靠氣相沉積技術(shù)制備預(yù)制棒，而后者則采用非氣相沉積技術(shù)制作預(yù)制棒、晶錠或在熔融態(tài)下直接拉絲。,沉積是在一個(gè)基靶表面上或在一根空心石英玻璃管內(nèi),6.2 光纖,5 光纖的應(yīng)用傳輸光纖,光纖由纖芯

13、和包層構(gòu)成，纖芯的折射率nl高于包層的折射率n2，光入射到光纖后，將在纖芯與包層之間形成全反射，最終沿光纖的軸向傳播，如圖6.5所示。,圖6.3 光纖中的子午線,,,,6.2 光纖,5 光纖的應(yīng)用傳輸光纖 傳輸光纖主要用于光通信，對光纖性能有兩個(gè)方面的要求： 損耗低，色散小。,但這個(gè)差值也不能太大，光纖通信用的多模光纖，相對折射率差,,光纖纖芯的折射率n1和包層的折射率n2的差值，決定了臨界角的大小。差值越

14、大，臨界角越小，越容易實(shí)現(xiàn)全反射。,6.2 光纖,傳輸光纖 傳輸損耗特性,光纖的損耗特性以每公里對信號的衰減來描述，單位為Db/km。光纖損耗的大小，不僅標(biāo)志著光纖制作技術(shù)的水平，而且也決定光纖通信中繼距離的長短。,6.2 光纖,傳輸損耗特性 材料固有吸收 紫外吸收損耗 ——0.8～1.6μm 的強(qiáng)烈吸收紅外吸收損耗 ——9μm強(qiáng)烈損耗，可忽略原子缺陷吸收 選用石英玻璃光纖——激勵(lì)影響最小雜質(zhì)吸收 金屬離子的吸收損耗 —

15、—雜質(zhì)含量已經(jīng)在10-8以下，不顯著OH-的吸收損耗——2.73μm、1.38um、0.95um ——對1.39μm、1.24μm和0.95μm 影響比較大,6.2 光纖,傳輸損耗特性,圖6.4 光纖的總損耗譜,正是這些吸收峰之間的低損耗區(qū)域形成了光纖通信的三個(gè)低損耗窗口（0.85μm，1.31μm，1.55μm）。氫氧根離子吸收損耗譜是光纖損耗譜曲線的主要組成部分。,,0.95um,1.24um,1.39

16、um,0.85um,1.31um,1.55um,6.2 光纖,傳輸損耗特性 瑞利散射損耗 由于光纖材料—石英玻璃的密度不均勻和折射率不均勻引起 波導(dǎo)效應(yīng)散射損耗 由于波導(dǎo)結(jié)構(gòu)不規(guī)則，從而導(dǎo)致高階模的輻射形成損耗 非線性效應(yīng)散射損耗 主要由受激的喇曼散射和布里淵散射引起，且只在強(qiáng)入射光功率激勵(lì)下才表現(xiàn)出來,6.2 光纖,傳輸損耗特性 其他損耗如纖芯直徑大小的變化引起的損耗；光纖彎曲以及光纖的對接引起的損耗等。,6.2 光纖

17、,傳輸光纖 光纖色散特性 光纖的色散是由于光纖所傳信號的不同頻率成分或不同模式成分的群速度不同而引起傳輸信號畸變的一種物理現(xiàn)象。由于脈沖展寬，在光通訊中，為了不造成誤碼，必須降低脈沖速率，這就將降低光纖通訊的信息容量和品質(zhì)。而在光纖傳感方面，在需要考慮信號傳輸?shù)氖д娑葐栴}時(shí)，光纖的色散也成為一個(gè)重要參數(shù)。脈沖展寬：當(dāng)一個(gè)光脈沖通過光纖時(shí)，由于光的色散特性，在輸出端光脈沖響應(yīng)被拉長的現(xiàn)象。,6.2 光纖,光纖色散特性材料色散由

18、于折射率是隨波長變化的，而光波都具有一定的波譜寬度，因而產(chǎn)生傳播時(shí)延差，引起脈沖展寬。模式色散在階躍光纖中，入射角不同的光波在光纖內(nèi)走過的路徑長短不同，在臨界角上傳輸?shù)墓饴纷铋L，沿光纖軸線傳輸?shù)墓饴纷疃蹋纱艘饡r(shí)延差而產(chǎn)生的模式色散。波導(dǎo)色散波導(dǎo)色散是由光纖的幾何結(jié)構(gòu)決定的色散，它是由某一波導(dǎo)模式的傳播常數(shù)β隨光信號角頻率變化而引起的，也稱結(jié)構(gòu)色散。,一般情況下：模式色散>材料色散>波導(dǎo)色散,6.2 光纖,光纖色散

19、特性光纖的總色散由上述三種色散之和決定。在多模光纖中，主要是模式色散和材料色散，當(dāng)折射率分布完全是理想狀態(tài)時(shí)，模式色散影響減弱，這時(shí)材料色散占主導(dǎo)地位。在單模光纖中，主要是材料色散和波導(dǎo)色散。由于沒有模式色散，所以其帶寬很寬。光纖的色散特性還可以用光纖的帶寬來表示。如把一般光纖看成一段線性網(wǎng)絡(luò)，帶寬表示它的頻域特性，時(shí)延差代表它的時(shí)域特性，利用付氏變換就可以求出光纖帶寬和時(shí)延差的關(guān)系。,,6.2 光纖,5 光纖的應(yīng)用傳感光纖

20、,光纖不僅可以作為光波的傳輸媒質(zhì)，而且光波在光纖中傳播時(shí)，表征光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)會受到外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等)的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用做敏感元件來探測各種物理量。這就是光纖傳感器的基本原理。,分為傳感型與傳光型兩大型,6.2 光纖,5 光纖的應(yīng)用與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)(1) 抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，安全可靠 (2) 重量輕，體積小，外形可

21、變 (3) 靈敏度高 (4) 對被測介質(zhì)影響小，測量對象廣泛 (5)便于復(fù)用、便于成網(wǎng) (6) 成本低廉,6.3 激光器及材料,1 固體激光器的工作原理,圖6.5 固體激光器的基本結(jié)構(gòu),固體激光器是研究最早的一類激光器，它以固體作為工作物質(zhì)，包括絕緣晶體和玻璃兩大類。工作物質(zhì)是在基質(zhì)材料中摻入激活離子(金屬離子或稀土離子)而制成。,固體激光器的構(gòu)成通常包括工作物質(zhì)、諧振腔、泵浦光源這三個(gè)基本組成部分。,6.3 激光器及材料,1

22、固體激光器的工作原理,使入射光得到放大，是核心,供給工作物質(zhì)能量,光抽運(yùn),激光束,工作介質(zhì),泵浦源,6.3 激光器及材料,1 固體激光器的工作原理,光抽運(yùn)可以將粒子從低能級抽運(yùn)到高能級。在二能級系統(tǒng)中，由于發(fā)生受激吸收和受激輻射的幾率是相同的（B12=B21），最終只有達(dá)到兩個(gè)能級的粒子數(shù)相等而使系統(tǒng)趨向穩(wěn)定。,6.3 激光器及材料,1 固體激光器的工作原理,,,,,,,,,,,6.3 激光器及材料,1 固體激光器的工作原理三能級系統(tǒng)

23、原理,E1為基態(tài)，E2、E3 為激發(fā)態(tài)，中間能級E2為亞穩(wěn)態(tài)。在泵浦作用下，基態(tài)E1的粒子被抽運(yùn)到激發(fā)態(tài)E3上，E1上的粒子數(shù)N1隨之減少。但由于E3能級的壽命很短，粒子通過碰撞很快地以無輻射躍遷的方式轉(zhuǎn)移到亞穩(wěn)態(tài)E2上。由于E2態(tài)壽命長，其上就累積了大量的粒子，即N2大于N1，于是實(shí)現(xiàn)了亞穩(wěn)態(tài)E2與基態(tài)E1間的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布。,6.3 激光器及材料,1 固體激光器的工作原理四能級系統(tǒng)原理,三能級激光器的效率不高，原因是抽運(yùn)前幾乎全部

24、粒子都處于基態(tài)，只有激勵(lì)源很強(qiáng)而且抽運(yùn)很快，才可使N2 > N1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。四能級系統(tǒng)是使系統(tǒng)在兩個(gè)激發(fā)態(tài)E2、E1之間實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。因?yàn)檫@時(shí)低能級E1不是基態(tài)而是激發(fā)態(tài)，其上的粒子數(shù)本來就極少，所以只要亞穩(wěn)態(tài)E2上的粒子數(shù)稍有積累，就容易達(dá)到N2>N1，實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布，在能級E2、E1之間產(chǎn)生激光。于是，E3上的粒子數(shù)向E2躍遷， E1上的粒子數(shù)向E0過渡，整個(gè)過程容易形成連續(xù)反轉(zhuǎn)，因而四能級系統(tǒng)比三能級系統(tǒng)

25、的效率高。,6.3 激光器及材料,1 固體激光器的工作原理有了工作物質(zhì)和諧振腔還不一定能輸出激光，因?yàn)椋汗ぷ魑镔|(zhì)使光得到增益，光強(qiáng)變大； 光在端面上的反射、透射等，會產(chǎn)生光能損耗，使光能變小。若光的增益小于其損耗，就沒有激光輸出。因此，必須使增益大于損耗，光在諧振腔內(nèi)來回反射時(shí)，其光強(qiáng)才能不斷增大，最后才有穩(wěn)定的激光輸出。,6.3 激光器及材料,1 固體激光器的工作原理綜上所述，實(shí)現(xiàn)激光振蕩的必要條件形成粒子數(shù)分布反轉(zhuǎn)使受

26、激輻射占優(yōu)勢具有諧振腔實(shí)現(xiàn)光量子放大至少達(dá)到閾值電流密度光增益 > 光損耗,6.3 激光器及材料,2 固體激光器基質(zhì)材料 激光器由工作物質(zhì)（基質(zhì)和激活離子）、激發(fā)源（泵浦）和共振腔組成。工作物質(zhì)就是指借組外來能源激勵(lì)實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生受激輻射放大作用的物質(zhì)系統(tǒng)——激光材料。激光器材料包括固體（晶體、玻璃）、氣體（原子、分子、離子）、液體和半導(dǎo)體。激活離子主要有過渡金屬離子、稀土離子、色心三類。,6.3 激光器及材

27、料,2 固體激光器基質(zhì)材料固體基質(zhì)材料的基本要求 材料具有強(qiáng)的熒光輻射、高的量子效率、適當(dāng)?shù)臒晒鈮勖褪芗ぐl(fā)射截面。這是獲得較小光泵閾值能量和盡可能大的激光能量輸出的需要。 材料應(yīng)具有優(yōu)良的靜態(tài)光學(xué)均勻性，以保證激光的方向性和激光效率。 要求激光材料的熱膨脹系數(shù)小、強(qiáng)度高、熱導(dǎo)率高、光照穩(wěn)定性和化學(xué)穩(wěn)定性要好，以使激光器工作穩(wěn)定可靠。 激光材料還應(yīng)易于制備加工，能制很大尺寸光學(xué)均勻的樣品。,6.3 激光器及材料,2 固體激光器

28、基質(zhì)材料 主要分為晶體和玻璃兩類玻璃：大尺寸，光學(xué)質(zhì)量好，但受激發(fā)射截面小，激發(fā)閾值高，熱導(dǎo)率小造成光學(xué)畸變晶體：熱導(dǎo)率、窄線寬等優(yōu)于玻璃，但很難獲得高的光學(xué)質(zhì)量和摻雜均勻性,6.3 激光器及材料,2 固體激光器基質(zhì)材料 激光基質(zhì)晶體氧化物紅寶石晶體釹-釔鋁石榴石（Nd：YAG）磷酸鹽和硅酸鹽鎢酸鹽、鉬酸鹽、釩酸鹽和鈹酸鹽摻鉻鋁酸鈹（Cr：BeAl2O4）氟化物,物理化學(xué)性能穩(wěn)定，導(dǎo)熱性好，抗壓強(qiáng)，對泵浦光源的吸收

29、特性好，在室溫下可獲得0.69um的可見激光；屬于三能級體系，激光閾值高。,熒光壽命短、熒光譜線窄，屬于四能級體系，閾值低，增益系數(shù)大，適合重復(fù)脈沖運(yùn)轉(zhuǎn)，輸出功率較大。,輸出波長連續(xù)可調(diào),6.3 激光器及材料,2 固體激光器基質(zhì)材料 激光玻璃激光玻璃和激光晶體的區(qū)別 激活離子所受配位場的作用與晶體中的作用不一樣 。玻璃基質(zhì)對激活離子的影響比晶體對激活離子的影響大得多。 激光玻璃的熱學(xué)性能比激光晶體的差。 玻璃是各向同性的，加

30、工性能良好，能更均勻地?fù)饺敫邼舛燃せ铍x子。,6.3 激光器及材料,2 固體激光器基質(zhì)材料 激光玻璃,6.3 激光器及材料,3 固體激光器的激活離子 過渡族金屬激活離子 三價(jià)稀土激活離子 二價(jià)稀土激活離子 錒系激活離子,激光器的輸出波長主要取決于激活離子內(nèi)部的能級結(jié)構(gòu)，但也隨基質(zhì)晶體、摻雜濃度和工作溫度的不同而有所變化。,在這類金屬離子中，3d殼層的電子由于沒有外層電子的屏蔽，而直接受基質(zhì)晶體晶格場和外界場的影響。,15

31、種鑭系元素，以及鈧（Sc）和釔（Y），都是4能級系統(tǒng),Sm2+、Er2+、Tm2+、Dy2+和Eu2+等,目前只有U3+有所應(yīng)用,與別的元素化合時(shí)，通常失去最外層的s電子和次外層的一個(gè)d電子,4f殼層比三價(jià)離子多一個(gè)電子，從而降低了5d電子的能量，因此對應(yīng)于4f~5d躍遷吸收帶均處于可見區(qū)域內(nèi)，這樣的吸收帶對于選擇泵浦光源非常有利。但不穩(wěn)定。,6.3 激光器及材料,4 幾種常見的固體激光器 紅寶石激光器,圖6.7 紅寶石中Cr3+能級

32、圖,A12O3:Cr3+,激發(fā)波長0.6943μm,6.3 激光器及材料,4 幾種常見的固體激光器 Nd3+:YAG激光器,圖6.8 Nd3+:YAG能級圖,YAG是迄今使用最為廣泛的激光晶體,理想的四能級激光器，室溫下有3條熒光譜線，以1.0641μm最強(qiáng),1.06μm (4F3/2→4I11/2) 63%1.319μm (4F3/2→4I13/3) 12%0.946μm (4F3/2→4I9/2)

33、24%,6.3 激光器及材料,4 幾種常見的固體激光器半導(dǎo)體激光泵浦的固體激光器,半導(dǎo)體激光二極管(LD)或二極管陣列(LDA)泵浦固體激光器(縮寫為DPL或LDPSSL)，是讓LD(或LDA)的輸出激光作為泵浦源。,目前LD巳成功地泵浦了Nd3+:YAG、Nd3+:YLF、Nd3+:YVO、Nd3+:YALO3和釹玻璃。,6.3 激光器及材料,5 應(yīng)用,激光測距激光加工激光醫(yī)療激光受控?zé)岷司圩?防偽標(biāo)簽上的Nokia握手標(biāo)志,

34、6.4 液晶顯示材料與器件,顯示技術(shù)是多學(xué)科交叉綜合技術(shù) 是信息時(shí)代重要的標(biāo)志之一。1897年，德國的布朗發(fā)明了陰極射線管（CRT）（Cathode Ray Tube）的雛形。百余年來，CRT一直占據(jù)了光電顯示的主導(dǎo)地位，如今其技術(shù)已極其成熟。陰極射線管做作為一種傳統(tǒng)的信息顯示器件，它顯示質(zhì)量優(yōu)良，制作和驅(qū)動(dòng)比較簡單，有很好的性能價(jià)格比。隨著CRT應(yīng)用的延伸，人們已不滿足于CRT現(xiàn)狀，期望一種顯示質(zhì)量如同CRT，而又具有體積小

35、，重量輕，工作電壓低，功耗小的新產(chǎn)品。,6.4 液晶顯示材料與器件,CRT的缺點(diǎn)：從大屏幕顯示方面來講，100cm以上的CRT質(zhì)量要超過100kg，體積大，搬動(dòng)困難，不能適應(yīng)現(xiàn)代家庭對高清晰度電視（HDTV）和現(xiàn)代戰(zhàn)爭對大屏幕顯示器的要求。在這種情況下平板顯示技術(shù)應(yīng)運(yùn)面生，而且獲得了迅速發(fā)展。平板顯示在國際上尚沒有嚴(yán)格的定義，一般是指顯示器的厚度小于顯示屏幕對角線尺寸四分之一的顯示技術(shù)。這種顯示器厚度較薄，看上去就像一塊平板，平板顯示

36、因此而得名。,液晶LCD平板顯示器,等離子體PDP平板顯示器,6.4 液晶顯示材料與器件,光電顯示材料的分類發(fā)光模式光電顯示材料陰極射線發(fā)光顯示電致發(fā)光閃爍晶體發(fā)光光致發(fā)光非發(fā)光模式光電顯示材料液晶顯示電致變色顯示電泳成像顯示,6.4 液晶顯示材料與器件,目前國內(nèi)市場上的平板電視，僅限于液晶電視和等離子電視兩種。 液晶電視分為CCFL背光液晶電視和LED背光液晶電視。 所謂CCFL，即冷陰極熒光燈管，是現(xiàn)階段最為成

37、熟的背光源。但隨著全球環(huán)保呼聲的提高，歐盟作出決定，嚴(yán)格限制含有鉛、鎘、汞、鉻、多溴聯(lián)苯和多溴聯(lián)苯醚等物質(zhì)的產(chǎn)品上市銷售。而汞是CCFL燈管和其它類型熒光照明的主要成份。于是CCFL背光液晶電視電視遇到了政策瓶頸。 隨著LED技術(shù)的不斷提高，其發(fā)光色純度越來越高、發(fā)光亮度越來越大、制造成本越來越低，更重要的是在其中不含歐盟限制的各種有害環(huán)境的物質(zhì)。于是在液晶電視中，開始使用LED取代各種冷光燈管。這就是市場上開始出現(xiàn)LED液晶電視的

38、原因。,6.4 液晶顯示材料與器件,液晶顯示技術(shù)對顯示顯像產(chǎn)品結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了深刻影響，促進(jìn)了微電子技術(shù)和光電信息技術(shù)的發(fā)展。,6.4 液晶顯示材料與器件,1 液晶材料的物理性質(zhì)液晶的發(fā)現(xiàn)可追溯到19世紀(jì)末，1888年奧地利的植物學(xué)家F·Reinitzer在作加熱膽甾醇的苯甲酸脂實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)加熱使溫度升高到一定程度后，結(jié)晶的固體開始溶解。但溶化后不是透明的液體，而是一種呈混濁態(tài)的粘稠液體，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤。當(dāng)再進(jìn)一步升

39、溫后，才變成透明的液體。他把這種粘稠而混濁的液體放到偏光顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)這種液體具有雙折射性。于是德國物理學(xué)家D·Leimann將其命名為“液晶”，簡稱為“LC”。在這以后用它制成的液晶顯示器件被稱為LCD。,液晶實(shí)際上是物質(zhì)的一種形態(tài)，也有人稱其為物質(zhì)的第四態(tài)。,6.4 液晶顯示材料與器件,1 液晶材料的物理性質(zhì)液晶的介電各向異性,液晶介電各向異性是決定液晶分子在電場中行為的主要參數(shù),液晶分子在電場中的取向行為取決于液

40、晶材料的介電各向異性值，當(dāng)△ε為正值時(shí)，液晶分子沿電場方向取向；當(dāng)△ε為負(fù)值時(shí)，液晶分子在電場中垂直于電場取向。所以，不同的顯示途徑，可選用不同的液晶材料。,6.4 液晶顯示材料與器件,1 液晶材料的物理性質(zhì)液晶的電導(dǎo)各向異性,液晶電導(dǎo)各向異性可以用σ∥/σ⊥來描述,向列相液晶，σ∥/σ⊥＞1，這反映了在向列相液晶中沿分子軸方向的運(yùn)動(dòng)比垂直于分子軸力向的運(yùn)動(dòng)要容易得多；近晶相液晶，離子運(yùn)動(dòng)在分子層間隙比較容易，所以σ∥/σ⊥＜1。

41、,6.4 液晶顯示材料與器件,1 液晶材料的物理性質(zhì)液晶的黏度,向列相液晶的黏度與活化能、溫度有關(guān),,黏滯系數(shù)對液晶的應(yīng)用有著很大的影響。向列相液晶的最大缺點(diǎn)是響應(yīng)加速度不夠快。響應(yīng)時(shí)間與液晶的黏滯系數(shù)有直接的關(guān)系，黏度小，響應(yīng)快。一般說來，分子長、胖及重的黏度就大。由于溫度對分子運(yùn)動(dòng)速度影響很大，因而溫度對黏度影響最大。通常，溫度每增加10℃，黏度就降低一半。,6.4 液晶顯示材料與器件,1 液晶材料的物理性質(zhì)液晶的光電效應(yīng)液

42、晶的光電效應(yīng)是指液晶在外電場作用下的分子的排列狀態(tài)發(fā)生變化，從而引起液晶的光學(xué)性質(zhì)也隨之變化的一種光調(diào)制現(xiàn)象。因?yàn)橐壕Ь哂薪殡姼飨虍愋院碗妼?dǎo)各向異性，因此外加電場能使液晶分子排列發(fā)生變化、進(jìn)行光調(diào)制，同時(shí)由于雙折射性，可以顯示出旋光性、光干涉和光散射等特殊的光學(xué)性質(zhì)。液晶顯示器件就是利用液晶的這一特性設(shè)計(jì)的。,6.4 液晶顯示材料與器件,液晶的光電效應(yīng)1)電場中液晶分子的取向,介電各向異性,當(dāng)電場與指向矢平行時(shí)的液晶介電常數(shù),當(dāng)電

43、場與指向矢垂直時(shí)的液晶介電常數(shù),稱為P型液晶，它具有正的介電各向異性,稱為N型液晶，它具有負(fù)的介電各向異性,目前的液晶顯示器件主要使用P型液晶。,在外電場作用下，P型液晶分子長軸方向平行于外電場方向，N型液晶分子長軸方向垂直于外電場方向。,6.4 液晶顯示材料與器件,液晶的光電效應(yīng)2)線偏振光在向列液晶中的傳播,折射率的各向異性,顯示用的向列液晶一般呈正單軸晶體光學(xué)性質(zhì)，它可以使入射光的偏振狀態(tài)和方向發(fā)生改變。,沿著P型向列液晶長軸方

44、向振動(dòng)的光波有最大的折射率n∥，而對于垂直這個(gè)方向振動(dòng)的光波有最小的折射率n⊥。,圖6.9 線偏振光在向列液晶中的傳播,6.4 液晶顯示材料與器件,液晶的光電效應(yīng)2)線偏振光在向列液晶中的傳播,合成光場矢端方程,兩光場位相差,當(dāng)θ=0（或π/2時(shí)），Ey=0（或Ex=0）。即偏振光的振動(dòng)方向和狀態(tài)沒有改變，仍以線偏振光和原方向前進(jìn)。,隨著光線沿z方向前進(jìn)，偏振光相繼成為橢圓、圓和線偏振光。同時(shí)改變了線偏振光的方向。,當(dāng)θ=π/4時(shí),6

45、.4 液晶顯示材料與器件,液晶的光電效應(yīng)3)線偏振光在扭曲向列相液晶中的傳播,圖6.10 線偏振光在扭曲向列液晶中的傳播,液晶分子在兩片坡璃之間呈90°扭曲,當(dāng)線偏振光垂直入射時(shí)，若偏振方向與上表面分子取向相同，則線偏振光偏振方向?qū)㈦S著分子軸旋轉(zhuǎn)，并以平行于出口處分子軸的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向與上表面分子取向垂直，則以垂直于出口處分子軸的偏振方向射出；當(dāng)以其他方向的線偏振光入射時(shí)，則根據(jù)平行分量和垂直分量的

46、值相差δ的值，以橢圓、圓或直線等某種偏振光形式射出。,6.4 液晶顯示材料與器件,2 液晶的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)液晶的分類按分子量大小，可分為低分子液晶與高分子液晶。 按形成條件和組成，可分為熱致液晶和溶致液晶。熱致液晶由溫度引起，并且在一定溫度范圍內(nèi)存在，一般是單一組分或均勻混合物。在化合物熔點(diǎn)以上的溫度下穩(wěn)定存在的熱致液晶稱為互變液晶。一般用于顯示。溶致液晶是由濃度引起的，在一定濃度范圍內(nèi)存在，一般是由符合一定結(jié)構(gòu)要求的化合物

47、與溶劑組成的混合物。 從分子排列有序性來分，可分為向列相、近晶相、膽甾相。,6.4 液晶顯示材料與器件,2 液晶的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)液晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1)向列相液晶,向列相液晶由長徑比很大的棒狀分子組成，保持與軸向平行的排列狀態(tài)。因?yàn)榉肿拥闹匦碾s亂無序，并容易順著長軸方向自由移動(dòng)，所以像液體一樣富于流動(dòng)性。正由于向列型液晶分子的這種一致排列，使得它的光學(xué)特性很像單軸晶體，呈正的雙折射性。對外界的電、磁、溫度、應(yīng)力都比較敏感，是顯示器件上廣

48、泛使用的材料。,6.4 液晶顯示材料與器件,2 液晶的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)液晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2) 近晶相液晶,近晶相液晶按層狀排列，由棒狀或條狀分子呈二維有序排列組成。層內(nèi)分子長軸相互平行，其方向可以垂直于層面或與層面成傾斜排列。層與層之間的作用較弱，容易滑動(dòng)，因此具有二維的流動(dòng)特性。近晶相液晶的粘度與表面張力都較大，用手摸有似肥皂的滑澀感，對外界的電、磁、溫度變化都不敏感。這種液晶光學(xué)上顯示正的雙折射性。,6.4 液晶顯示材料與器件,2 液

49、晶的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)液晶的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)3)膽甾相液晶,膽甾型液晶和近晶型一樣具有層狀結(jié)構(gòu)，但層內(nèi)分子排列則與向列型液晶類似，分子長軸在層內(nèi)是相互平行的，而在垂直這個(gè)平面上，每層分子都會旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度。液晶整體呈螺旋結(jié)構(gòu)。螺距的長度是可見光波長的數(shù)量級。由于膽甾型液晶的分子排列旋轉(zhuǎn)方向可以是左旋，也可以是右旋，當(dāng)螺距與某一波長接近時(shí)，會引起這個(gè)波長光的布拉格散射，呈某一種色彩。膽甾型液晶具有負(fù)的雙折射性質(zhì)。一定強(qiáng)度的電場、磁場也可使膽甾

50、相液晶轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛄邢嘁壕?。膽甾相液晶易受外力的影響，特別對溫度敏感，由于溫度主要引起螺距的改變，因此膽甾相液晶隨溫度改變顏色。,6.4 液晶顯示材料與器件,2 液晶的分類及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)形成液晶的條件 1)液晶分子的幾何形狀應(yīng)是各向異性的，分子的長徑比(L/D)必須大于4。2)液晶分子長軸應(yīng)不易彎曲，要有一定的剛性。因而常在分子的中央部分引進(jìn)雙鍵或叁鍵，形成共軛體系，以得到剛性的線型結(jié)構(gòu)或使分子保持反式構(gòu)型，以獲得線狀結(jié)構(gòu)。3)分子末

51、端含有極性或可極化的基團(tuán)。通過分子間電性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件由于液晶具有單軸晶體的光學(xué)各向異性，所以具有以下光學(xué)特性：能使入射光沿液晶分子偶極矩的方向偏轉(zhuǎn)；使入射的偏光狀態(tài)，及偏光軸方向發(fā)生變化；使入射的左旋及右旋偏光產(chǎn)生對應(yīng)的透過或反射。液晶器件基本就是根據(jù)這三種光學(xué)特設(shè)計(jì)制造的。液晶材料在施加電場（電流）時(shí)，其光學(xué)性質(zhì)會發(fā)生變化，這種效應(yīng)稱為液晶的電光效應(yīng)。

52、其本質(zhì)都是液晶分子在電場作用下改變其分子排列或造成分子變形的結(jié)果。,,,,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件,常用液晶顯示器件的分類,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件扭曲向列（TN）型液晶顯示器件,TN型液晶顯示器件是最常見的一種液晶顯示器件。常見的手表、數(shù)字儀表、電子鐘及大部分計(jì)算器所用的液晶顯示器件都是TN型器件。,TN型液晶顯示是液晶顯示器件中最基本的，而之后其他種類的液晶顯示器件是在TN型的基礎(chǔ)

53、進(jìn)行改良的。,圖6.12 典型TN液晶顯示器件結(jié)構(gòu)示意圖,6.4 液晶顯示材料與器件,扭曲向列（TN）型液晶顯示器件 1）工作原理,圖6.13 典型TN液晶顯示器件顯示原理,當(dāng)入射光通過偏振片后成為線偏振光，在無電場作用時(shí)，由線偏光經(jīng)過扭曲向列液晶的旋光特性決定，在出射處，檢偏片與起偏片相互垂直，旋轉(zhuǎn)了90°的偏振光可以通過。因此呈透光態(tài)。在有電場作用時(shí)，當(dāng)電場大于閾值場強(qiáng)后，液晶盒內(nèi)液晶分子長軸都將沿電場方向排列，即與

54、表面呈垂直排列，此時(shí)入射的線偏振光不能得到旋轉(zhuǎn)，因而在出射處不能通過檢偏片，呈暗態(tài)。,6.4 液晶顯示材料與器件,扭曲向列（TN）型液晶顯示器件 1）工作原理,圖6.18 TN-LCD的電光特性,該模式實(shí)現(xiàn)了白底上的黑字顯示，稱為正顯示。同樣，加果將起偏振片和檢偏振片的偏振軸相互平行粘貼，則可實(shí)現(xiàn)黑底白字顯示，稱為負(fù)顯示。,閾值電壓Vth,飽和電壓Vsat,,陡度γ,γ值決定器件的多路驅(qū)動(dòng)能力和灰度性能。陡度越大，多路驅(qū)動(dòng)能力越強(qiáng)

55、，但灰度性能下降，反之亦然。,6.4 液晶顯示材料與器件,扭曲向列（TN）型液晶顯示器件 2）TN-LCD的電光效應(yīng),,圖6.19 TN-LCD的響應(yīng)速度,液晶的電光響應(yīng)通常滯后幾十毫秒，透光率并不和外電壓同時(shí)增加，而要經(jīng)過幾個(gè)脈沖序列后才開始增加，并在經(jīng)歷一定序列脈沖后，達(dá)到最大值。停止施加外電壓后，透光率也不是立即下降到零而是經(jīng)過一定時(shí)間才達(dá)到較小值。,目前普通TN-LCD的響應(yīng)時(shí)間在80ms左右。,6.4 液晶顯示材料與器件,

56、3 常用液晶顯示器件超扭曲向列(STN)液晶顯示器件,第三代液晶顯示器件。顧名思義，“超扭曲”即扭曲角大于90°。 TN型液晶顯示器件缺點(diǎn)：電光響應(yīng)前沿不夠陡峭反應(yīng)速度慢閾值效應(yīng)不明顯使得大量顯示和視頻顯示等受到了限制 單純的TN型液晶顯示器本身只有明暗兩種變化，而STN型液晶則以淡綠色和橘色為主。但如果在傳統(tǒng)單色STN型液晶顯示器中加上一彩色濾光片，并將單色顯示矩陣中的每一像素分成三個(gè)子像素，分別通過彩色濾光片

57、顯示紅、綠、藍(lán)三原色，就可以顯示出色彩了。,6.4 液晶顯示材料與器件,超扭曲向列(STN)液晶顯示器件,圖6.16 STN型液晶顯示器件原理圖,STN模式的液晶顯示器基本和TN模式是一樣的，只不過盒中液晶分子排列不是沿著90º扭曲排列，而是180º~360º扭曲排列。,6.4 液晶顯示材料與器件,超扭曲向列(STN)液晶顯示器件曲線斜率的提高可以允許多路驅(qū)動(dòng)，且可獲得敏銳的銳度和寬的視角。 由于S

58、TN-LCD具有掃描線多、視角較寬、對比度好等特點(diǎn)，很快在大信息容量顯示的膝上型、筆記本型、掌上型微機(jī)及中英文打字機(jī)、圖形處理機(jī)、電子翻譯機(jī)及其它辦公和通信設(shè)備（手機(jī)）中獲得廣泛應(yīng)用，并成為90年代的主流產(chǎn)品。,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件薄膜晶體管(TFT)型液晶顯示器件,由于TN型和STN型液晶的顯示原理所限，如果它的顯示部分越做越大，那么中心部分的電極反應(yīng)時(shí)間可能就會比較長。但是對于像筆記本電腦這種需要大屏幕

59、液晶顯示器的設(shè)備來說，液晶反應(yīng)時(shí)間太慢就會嚴(yán)重影響顯示效果，因此，TFT型液晶技術(shù)引起了人們的注意。,TFT型液晶顯示技術(shù)采用了“主動(dòng)式矩陣”的方式來驅(qū)動(dòng)。方法是利用薄膜技術(shù)所做成的電晶體電極，利用掃描的方法“主動(dòng)地”控制任意一個(gè)顯示點(diǎn)的亮與暗。,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件薄膜晶體管(TFT)型液晶顯示器件,TFT型液晶顯示器件為每個(gè)像素都設(shè)有一個(gè)半導(dǎo)體開關(guān)，其加工工藝類似于大規(guī)模集成電路。,TFT型和TN型液晶

60、的顯示原理類似。但不同的是場效應(yīng)晶體管具有電容效應(yīng)，已經(jīng)透光的液晶分子會一直保持這種狀態(tài)，直到場效應(yīng)晶體管(FET)電極下一次再加電以改變其排列方式為止。而TN型液晶就沒有這個(gè)特性，液晶分子一旦沒有加以電場，立刻就返回原來的狀態(tài)；這是TFT型液晶和TN型液晶顯示原理的最大不同。,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件動(dòng)態(tài)散射(DS)型液晶顯示器件,DS-LCD是唯一電流型液晶顯示器件，而且是最早的實(shí)用化的液晶顯示器件。,在不

61、通電的情況下，液晶呈透明狀態(tài)。,當(dāng)通過低頻交流電時(shí)，當(dāng)電壓超過閾值電壓Vth時(shí)，在液晶層內(nèi)形成一種因離子運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的“威廉疇”，繼續(xù)增加電壓，最終會使液晶層內(nèi)形成紊流和攪動(dòng)，并對光產(chǎn)生強(qiáng)烈的散射。,DS液晶顯示器件是無偏振片結(jié)構(gòu)，電流較大，一般在背面襯以黑色襯底。,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件賓主(GH)型液晶顯示器件,圖6.18 GH型液晶顯示器件原理圖,若此時(shí)施加一定的電壓，液晶分子變?yōu)檠仉妶龇较虺蚀怪迸帕械臓?/p>

62、態(tài)，此時(shí)，觀察者看到的是吸光較少的長軸方向，因而色彩很淡，濃淡對比，形成顯示。,基本原理是在液晶層中摻進(jìn)一定量的二色性染料。由于二色性染料（如蒽醌類染料）在分子的長軸方向和短軸方向?qū)獾奈詹灰粯?，二色性染料混在液晶中，會“賓隨主變”的與液晶分子呈同向有序排列，觀察者看到的是吸光較多的短軸方向，因而色彩較重。,6.4 液晶顯示材料與器件,3 常用液晶顯示器件液晶顯示的優(yōu)點(diǎn)：驅(qū)動(dòng)電壓低能耗小對比度和分辨率好缺點(diǎn)：響應(yīng)速度慢工

63、作溫度范圍比較窄需要輔助光源,6.4 液晶顯示材料與器件,4 顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢 不同顯示方式對液晶材料的要求不同調(diào)制滿足不同顯示方式要求的混合液晶——相轉(zhuǎn)變溫度、介電常數(shù)、彈性常數(shù)、雙折射、黏度改進(jìn)工藝、提高生產(chǎn)率、降低成本合成新型液晶材料，完善性能——低閾值電壓、快響應(yīng)速度、大視角,6.4 液晶顯示材料與器件,4 顯示技術(shù)的發(fā)展趨勢 有機(jī)發(fā)光二極管（OLED）顯示器已成為當(dāng)今超薄、大面積平板顯示器件研究的主要方向。,