光電顯示材料20顧董文.ppt

光電顯示材料 目錄 1概述2光電顯示物理基礎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 圖像和活動圖像 作用于人的視覺而使人感知的手段稱為信息顯示技術 最常用的靜止信息的顯示手段有打印機 復印機 傳真機和掃描儀等 一般稱為信息的輸出和輸入設備 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 激光打印機和復印機上感光鼓的材料 目前使用的是無機的硒合金和有機的酞菁染料 一方面需不斷完善它們的性能 另一方面還應致力于發(fā)展新的感光材料 2光電顯示物理基礎 一 光輻射與光 二 半導體的輻射躍遷 本征輻射躍遷 電子從導帶躍遷至價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體 輻射躍遷 伴隨有發(fā)射光子的電子躍遷 2 激子輻射復合 1 自由激子 直接帶隙半導體 間接帶隙半導體 2 束縛激子 3 能帶與雜質能級之間的輻射躍遷 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合 三 半導體的無輻射復合 1 俄歇復合 由三個載流子 如兩個電子和一個空穴或兩個空穴和一個電子 的相互作用 即發(fā)生碰撞所引起 2 表面復合兩種表面態(tài) 半導體少數(shù)載流子在表面消失的現(xiàn)象 3 通過缺陷或摻雜物的復合 4 多聲子復合 受激電子的能量轉變?yōu)榫Ц裾駝拥哪芰?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 按激發(fā)停止后余輝的長短 熒光 余輝時間 10 8s磷光 余輝時間 10 8s 1 光致發(fā)光 受入射光的激發(fā)而產生 2 化學發(fā)光 某些化學反應中釋放的能量可以轉變?yōu)楣饽?3 摩擦發(fā)光 機械作用所引起的發(fā)光 機械壓力作用下由于壓電效應可以形成局部電場 在局部電場作用下可以發(fā)生齊納擊穿 從而產生電子 空穴對 然后它們復合時可以發(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)射直接進行顯示 受光顯示材料 利用電場作用下材料光學性能的變化實現(xiàn)顯示 通過反射 散射 干涉等現(xiàn)象 對其它光源所發(fā)出的入射光進行控制 即通過光交換進行顯示 二 光電顯示的分類 二 光電顯示的分類 三 顯示器件的基本特征 1亮度 指顯示器件的發(fā)光強度 它是指垂直于光束傳播方向單位面積上的發(fā)光強度 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 在室內照明條件下對比度達到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分辨率達到100 110ppi 每英寸像元數(shù) 時 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分辨率已達到300ppi 還有潛力再提高 5灰度 表示屏上亮度的等級 以亮度的倍的發(fā)光強度的變化劃分等級 灰度越高 圖像層次越分明 彩色顯示中顏色更豐富 圖像更柔和 6響應時間 余輝時間 響應時間表示從施加電壓到顯示圖像所需要的時間 切斷電壓后到圖像消失所需要的時間稱為余輝時間 發(fā)光器件和鐵電液晶響應時間一般為微秒量級 視頻圖像顯示要求響應時間和余輝時間加起來小于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間稱為半壽命 一般即指壽命 受光顯示器件的主要顯示指標保持正常的時間為使用壽命 同時濕度 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 藍光三基色加法混色得到CIE色度圖舌形曲線上任意顏色 復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)光像元的灰度級別 CRT LCD及PDP已可顯示幾百萬種顏色 達到全色顯示要求 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) 實現(xiàn)了全色顯示 9視角 在受光式被動顯示中 觀察角度不同 對比度不同 在液晶顯示中視角問題特別突出 由于液晶分子具有光學各向異性液晶分子長軸和短軸方向光吸收不同 因而引起對比度不同 但采用多種辦法已解決了這個問題 在發(fā)光式主動顯示中幾乎不存在視角問題 因為像元就是光輻射源 光空間分布是均勻的 視角大又均勻 10工作電壓和功耗 驅動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 參數(shù) 器件 大屏幕 全色 視角 空間 分辨率 對比度 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 又稱陰極射線發(fā)光材料 在顯示領域占統(tǒng)治地位主要用途 電視 示波器 雷達 投影管 飛機上的平視儀及大屏幕顯示等 分類 陰極射線管CRT 真空微顯示器FED 真空熒光顯示VFD 1 機理 CRT 熱陰極 在真空中從陰極出來的電子經加速后轟擊熒屏所發(fā)出的光 陰極射線的電子在陽極電壓的加速下 可以達到幾到幾萬電子伏的能量 每個初級電子進入發(fā)光材料后 沿著其途徑還會產生二次電子 二次電子還可以與晶格碰撞產生新的二次電子 因而產生的二次電子的密度是非常大的 這些二次電子最終會激發(fā)發(fā)光 FED 不用熱陰極 將強電場集中在陰極上面的圓錐形發(fā)射極上 通過電場使電子發(fā)射到真空中 冷陰極 VFD 當磷光體被低速電子流激發(fā)時會產生發(fā)光現(xiàn)象 VFD選擇性地施加電壓于柵極和陽極上 當對涂有氧化材料的陰極加熱時 它在近650 時發(fā)射出熱電子 它們被金屬網柵極所加速 再轟擊陽極的磷光物質而使之發(fā)光 不同之處 加速電壓 CRT 15 30kV FED 300V 8kV VFD 20 100V 電流密度 CRT 低10mA cm2 FED 高100mA cm2 陰極結構和材料 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 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 Zn 應用 CRT和FED范圍較廣 VFD多用于數(shù)字和文字 FED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 包括可見區(qū) 紫外區(qū)和紅外區(qū) 雜質 1 猝滅劑 損害發(fā)光性能使發(fā)光亮度降低的雜質 Fe Co Ni是典型代表 2 激活劑 對某種特定的化合物起激活作用 使原來不發(fā)光或發(fā)光很微弱的材料發(fā)光 這類雜質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)光材料可以同時含兩種激活劑 3 共激活劑 與激活劑協(xié)同激活基質的雜質 如ZnS Cu Cl和ZnS Cu Al中的Cl Al3 就是Cu的共激活劑 當Cu 替換ZnS中的Zn2 時 Cl 和Al3 都起電荷補償作用 使Cu容易進入基質 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 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 如上轉換材料YF3 Yb Er中Yb是敏化劑 Er是激活劑 通過Yb3 吸收激發(fā)能 把能量傳給Er3 發(fā)光 5 惰性雜質 指對發(fā)光性能影響較小 對發(fā)光亮度和顏色不起直接作用的雜質 如堿金屬 堿土金屬 硫酸鹽和鹵素等 色坐標 色彩是紅 綠 藍三基色混合得到的 這三種基色在CIE色坐標圖中構成一個三角形 紅 綠 藍三點越接近曲線邊緣 顏色越純 即顏色越正 色飽和度越好 我國彩色電視的制式是PAL制 白場色溫為D6500 三基色材料的色坐標必須適合PAL制的要求 同時在保證色坐標的前提下 每一單色熒光粉的發(fā)光效率要高 當激發(fā)紅 綠 藍三基色發(fā)光粉的三束電流比在顯示白場時 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)助熔劑的情況適當選擇 時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 然后進行包膜處理 因為用Y2O3 Eu涂屏時 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)生化學變化 三 發(fā)光二極管 1 材料特性和發(fā)光機理 發(fā)光機理 施加正向電壓時 通過p n結分別把n區(qū)的電子注入到p區(qū) p區(qū)空穴注入到n區(qū) 電子和空穴復合而發(fā)光 高效率發(fā)光應自備的三個條件 1 容易控制材料的導電性 族材料導電性較好 且容易做成p型或n型結 族材料的導電性不好控制 2 對發(fā)射光的透明性好當能量低于吸收端時 光可以透過 當能量高于吸收端時 不能透過 禁帶寬度可通過三元系或四元系混晶方法在一定范圍內可調 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GaAs單晶2 外延生長技術 液相外延 氣相外延 分子束外延 金屬有機化合物化學淀積 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)百萬個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 放電胞內壁涂覆的熒光體并不是發(fā)白光 而是紅 綠 藍三原色光 對放電胞施加電壓 放電胞中發(fā)生氣體放電 產生等離子體 等離子體產生的紫外線照射胞內壁上涂覆的熒光體 產生可見光 三原色巧妙地混合 對于視者來說 產生豐富多彩的顏色 3 三基色熒光粉應滿足的條件 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鍵 2 在同一放電電流時 通過三基色熒光粉發(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 余輝時間短 電視顯示用三基色熒光粉 4 三基色熒光粉的轉換效率 一般 一個激發(fā)光子照射一個熒光粉顆粒 輻射一個可見光光子 可是 如果激發(fā)光子能量為8 55eV 可見光子能量為2 2 8eV 能量轉換效率為27 很低 因此 要研究高能光子轉換材料 即能轉換2個或更多個低能光子的熒光材料 近年來研究出摻Pr氟化物 這種材料在高能光子激發(fā)下能產生多個低能光子 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成的 PDP屏幕尺寸大 又加上制造過程中玻璃基板要經過一系列的厚膜印刷和高溫燒結 因此對玻璃基板要求高 通常燒結溫度在450 600oC之間 封接溫度為380 400oC 排氣最高溫度為350oC 這樣 燒結溫度高于玻璃應變點 導致玻璃基板產生彎曲 不規(guī)則形變和熱收縮 例如 對角線為1m的彩色PDP中 玻璃基板百萬分之二十的熱形變就會產生至少一個像元的完全錯位 當前 PDP使用日本旭硝子公司PD200和美國康寧公司CS25玻璃 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 液晶分子結構和分類 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 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構 分子長軸在層面內與向列液晶相同呈平行排列 但是相鄰層面間分子長軸的取向方位多少有些差別 整個液晶形成螺旋結構 3 近晶相液晶 棒狀分子排成層狀結構 構成分子相互平行排列 與層面近似垂直 這種分子層間的結合較弱 層與層間易于相互滑動 因此 層列液晶顯示出二維液體的性質 由于該類液晶的黏度較大 液晶顯示中一般不采用這種液晶 2 液晶顯示的優(yōu)缺點優(yōu)點 功耗低 所用電壓低 在明亮的環(huán)境下對比度和分辨率都不錯 缺點是響應速度慢 工作溫度范圍比較窄 在無光環(huán)境下不能顯示 3 液晶材料產生彩色的方式 在外部電場的作用下 使材料的分子排列從初始狀態(tài)變到另一種狀態(tài) 材料的光學性質發(fā)生變化 通過這種變化改變著色顏色 彩色的形成依靠外界因素 如采用三基色的電子束作光源 使用雙折射薄膜等方式實現(xiàn)彩色顯示 此時液晶功能通過以下4類組合來實現(xiàn)液晶的彩色顯示 液晶的光學性質由于液晶具有折射率各向異性 使得液晶具有以下的光學性質 而這些性質是液晶工作原理的基礎 1 使