信息材料5OptoelectronicMaterialspart2

1、 5.6 光光 導(dǎo)導(dǎo) 纖纖 維維現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸媒介現(xiàn)代通信網(wǎng)絡(luò)的主要傳輸媒介光纖之父 高錕光纖通信是利用光波作載波，以光纖作為傳輸媒質(zhì)將信息從一處傳至另一處的通信方式。1966年英籍華人高錕博士發(fā)表了一篇劃時代性的論文，他提出利用帶有包層材料的石英玻璃光學纖維，能作為通信媒質(zhì)。從此，開創(chuàng)了光纖通信領(lǐng)域的研究工作。1977年美國在芝加哥相距7000米的兩電話局之間，首次用多模光纖成功地進行了光纖通信試驗。 1995年底，全球已敷設(shè)光纜已超過1100萬千米。 characteristic光導(dǎo)纖維的特性光導(dǎo)纖維的特性傳輸損耗小傳輸損耗小引起損耗的主要原因是光的吸收與散射引起損耗的主要原因是光

2、的吸收與散射 傳輸頻帶寬傳輸頻帶寬引起光脈沖擴展的主要原因是模色散，長波長的單模光纖已成為最有效的光引起光脈沖擴展的主要原因是模色散，長波長的單模光纖已成為最有效的光通信材料通信材料 機械性能好機械性能好光纖極細且很長，要求它具有很高的強度和抗疲勞能力光纖極細且很長，要求它具有很高的強度和抗疲勞能力全反射全反射-光纖材料的應(yīng)用原理光纖材料的應(yīng)用原理全反射全反射為光線由折射率較大的介質(zhì)射向折射率較小的介質(zhì)時，入射光線將全部反射回來，不會有折射發(fā)生。 18.3.1 光導(dǎo)纖維的種類和特性光導(dǎo)纖維的種類和特性 概況概況光導(dǎo)纖維(optical fibre，簡稱光纖)定義能夠以光信號而非電信號的形式傳遞

3、信息(光束和圖像)的具有特殊光學性能的玻璃或塑料纖維分類 按功能可分為傳光纖維與傳像纖維 按傳輸模式可分為多模(multiple model，mm)光纖和單模(single model，sm)光纖，多模光纖能夠同時傳播多種光波模式，單模光纖只能傳輸一種光波模式。后者可傳輸更多的信號 按光纖的材料成分可分為石英類、多組分玻璃類及有機高分子塑料光纖光纖種類光纖種類材材 料料 成成 分分采采 用用 原原 料料石英光纖芯線：sio2 geo2 p2o5 包層：sio2 b2o3sicl4 gecl4 pocl3sicl4 bcl3 bbr3多 組 分 光纖芯線：sio2 na2o cao geo2 包

4、層：sio2 na2o cao b2o5：s i c l4 n a n o3 c a ( n o3)2 ge(c4h9o)4sicl4 nano3 ca(no3)2 bcl3石英芯線塑 料 包 層光纖芯線；sio2包層：有機硅sicl4二甲基二氯硅烷 塑料光纖芯線：pmma包層：氯化map聚甲基丙烯酸甲酯氟化甲酯表表20.5 20.5 光纖的種類與材料光纖的種類與材料 對通信對通信石英光纖的要求石英光纖的要求作為光通信媒介物的光導(dǎo)纖維應(yīng)具有三個特性(1)傳輸衰耗小 常以每公里損失的分貝數(shù)(dbkm)表示(2)傳輸頻帶寬現(xiàn)多用單模光纖(3)機械性能好為保護光纖拉絲后的強度，光纖拉出后，必須立即被

5、覆一層或二層保護性的涂膜。以提高使用壽命20203 32 2 光導(dǎo)纖維的制備光導(dǎo)纖維的制備 石英光纖制備的要求石英光纖制備的要求光纖制備必須嚴格控制雜質(zhì)的含量，尤其是金屬離子和羥基離子二者的存在會引起傳輸衰耗大輻度地上升。一般金屬離子的濃度應(yīng)在10-9級范圍，羥基離子濃度一般為10-410-7光纖的尺寸和形狀纖芯直徑的波動會產(chǎn)生大的傳輸衰耗甚至不能使用，形狀對稱性的改變會嚴重影響光纖之間的連接化學組成組成的微小變化，會影響纖芯的折射率，增加傳輸衰耗 光纖的制備工藝光纖的制備工藝光纖制造一般先制備預(yù)制棒，總共包括三個步驟：1. fabrication of the preform 2. draw

6、ing the fiber from the preform 3. coating and jacketing process 概述概述the preforms are fabricated using chemical vapor deposition methods：u modified chemical vapor deposition (mcvd) 最常用的預(yù)制棒制備方法最常用的預(yù)制棒制備方法u plasma modified chemical vapor deposition (pmcvd) u plasma chemical vapor deposition (pcvd) u ou

7、tside vapor deposition (ovd) u vapor-phase axial deposition (avd)1. 預(yù)制棒的制造預(yù)制棒的制造all these methods are based on thermal chemical vapor reaction that forms oxides, which are deposited as layers of glass particles called soot, outer rotating rod or inside glass tube. the same chemical reactions occur i

8、n both methods. starting materials are solutions of sicl4, gecl4, pocl3, and gaseous bcl3. these liquids are evaporated within oxygen stream and form silica and other oxides. 主反應(yīng)在“玻璃車床”上用超純的sicl4與o2和h2在14001600下反應(yīng)：sicl4(g) + o2(g) + 2h2(g) = sio2(g) + 4hcl(g) 摻雜反應(yīng)生成geo2、p2o5、b2o3等：gecl4 + o2 geo2 +

9、2 cl24 pocl3 + 3 o2 2 p2o5 + 6 cl24 bcl3 + 3 o2 2 b2o3 + 6 cl2 geo2、p2o5 increase the refractive index of glass；b2o3 decreases the refractive index of glass. these oxides are known as dopants. changing composition of the mixture during the process influences refractive index profile of the preform.p

10、reparation化學氣相沉積法制石英光纖化學氣相沉積法制石英光纖42223225224326siclosioclpoclopoclmcvda. 光纖預(yù)制棒制造光纖預(yù)制棒制造 mcvd（改進的化學氣相沉積）（改進的化學氣相沉積） mcvd技術(shù)由bell laboratories 研發(fā) 一支超純石英管裝載于一臺裝有氫氧噴燈玻璃車床上。 氯化物和氧氣從石英管的一端饋入管中，在噴燈提供的高溫下反應(yīng)，在噴燈的下游所生成的煙灰狀二氧化硅和二氧化鍺亞微米顆粒沉積于石英管的內(nèi)壁上。當噴燈經(jīng)過沉積物時，它們就被凝固為固態(tài)的玻璃。 改變硅、鍺氯化物的比例，可形成折射率梯度（更多的鍺，更高的折射率）。 優(yōu)點：沉

11、積和溶縮一步完成，避免了可能的污染 缺點：時間長，生產(chǎn)效率不高。pmcvd（等離子輔助改進的化學氣相沉積）（等離子輔助改進的化學氣相沉積）in addition to the normal mcvd technique the radio-frequency coil around the tube generates an internal high temperature plasma. plasma modified chemical vapor deposition deposition by pmcvd process ovdovd外部氣相沉積外部氣相沉積 四氯化硅和四氯化鍺的混合汽

12、以及氧被饋送到火焰中。反應(yīng)生成的二氧化硅和二氧化鍺煙灰狀顆粒被沉積在一支氧化鋁芯棒上以形成煙灰狀顆粒預(yù)制棒，當芯層沉積完成后，接著必須沉積包層。在足夠的芯燈和包層沉積之后并移去芯棒后，煙灰顆粒狀預(yù)制棒被置于燒結(jié)爐中脫水、燒結(jié)和熔縮以閉合芯棒留下的孔。一個透明、固態(tài)的預(yù)制棒就可以進入拉絲工序了。vadvad垂直軸向氣相沉積垂直軸向氣相沉積 在軸向上沉積煙灰狀顆粒。在軸向上沉積煙灰狀顆粒。預(yù)制棒在長度方面生長，在沉積開始時采用了一個預(yù)制棒在長度方面生長，在沉積開始時采用了一個芯棒。芯棒。燒結(jié)后的預(yù)制棒仍然較短和粗，它們需要進一步的燒結(jié)后的預(yù)制棒仍然較短和粗，它們需要進一步的拉伸以符合隨后工序的要求

13、。拉伸以符合隨后工序的要求。應(yīng)用專門的干燥工藝應(yīng)用專門的干燥工藝vad現(xiàn)在可以生產(chǎn)非常低水峰現(xiàn)在可以生產(chǎn)非常低水峰的光纖供全帶應(yīng)用。的光纖供全帶應(yīng)用。pcvdpcvd等離子化學汽相沉積 plasma chemical vapor deposition (pcvd)與pmcvd相似，都采用等離子輔助產(chǎn)生高溫。不過以微波空腔共振器代替射頻線圈，產(chǎn)生等離子環(huán)境。 sio2和geo2直接被沉積為一層透明玻璃。沒有煙灰狀顆粒形成或沉積，所以無須應(yīng)用固態(tài)工序。 四氯化硅和四氯化鍺以及氧的混合物饋入一個超純石英管，在反應(yīng)區(qū)內(nèi)，sio2和geo2直接被沉積為一層透明玻璃。沒有煙灰狀顆粒形成或沉積，所以無須應(yīng)用

14、固態(tài)工序。 由于它的沉積層非常薄，于是可以按照設(shè)計實現(xiàn)精密的折射率剖面。因此能生產(chǎn)世界上頂級的多模光纖和復(fù)雜折射率剖面的光纖。 優(yōu)點：其原料的利用率非常高，幾乎是100%，為其它工藝方法的兩倍。 缺點：反應(yīng)溫度高，需要更高純度的原料。熔縮熔縮熔縮從煙灰從煙灰soot粒子的有空隙堆積粒子的有空隙堆積 到到 無空隙緊密堆積無空隙緊密堆積在熔縮過程中，由于二氧化鍺在高溫下蒸發(fā)，在折射率剖面的中央會出現(xiàn)一個凹陷。為消除這個降低光纖質(zhì)量的凹陷，在管子還沒閉合前的熔縮最后階段，采用氟利昂腐蝕工藝。套管套管為了提高效率，預(yù)制棒裝入一作為機械包層的石英套管內(nèi)后，再拉制光纖。為了提高效率，預(yù)制棒裝入一作為機械包

15、層的石英套管內(nèi)后，再拉制光纖。等離子包層沉積等離子包層沉積等離子包層沉積阿爾卡特則采用高頻等離子來沉積機械包層。阿爾卡特則采用高頻等離子來沉積機械包層。過濾的空氣被饋入一個等離子噴燈，一個高頻感應(yīng)線圈將其加熱過濾的空氣被饋入一個等離子噴燈，一個高頻感應(yīng)線圈將其加熱到高溫。在氬氣流中以電火花激發(fā)并使其達到導(dǎo)電狀態(tài)，然后由到高溫。在氬氣流中以電火花激發(fā)并使其達到導(dǎo)電狀態(tài)，然后由感應(yīng)電流加溫，然后將氣流切換到該工藝所用的空氣流。感應(yīng)電流加溫，然后將氣流切換到該工藝所用的空氣流。高度純化的石英顆粒被饋送至等離子高溫火焰區(qū)，許多層被沉積高度純化的石英顆粒被饋送至等離子高溫火焰區(qū)，許多層被沉積于預(yù)制棒上，

16、直到所要求的直徑為止。一個可視系統(tǒng)按要求的直于預(yù)制棒上，直到所要求的直徑為止。一個可視系統(tǒng)按要求的直徑自動地調(diào)整包層的外徑。徑自動地調(diào)整包層的外徑。優(yōu)點：優(yōu)點：使用廉價的原材料使用廉價的原材料沒有腐蝕性和危險性的副產(chǎn)品，免除了裝備污染處理裝置。沒有腐蝕性和危險性的副產(chǎn)品，免除了裝備污染處理裝置。所達到的高溫所達到的高溫(10000c)，進一步純化了石英顆粒。，進一步純化了石英顆粒。2. 光纖拉制單涂層雙涂層拉絲b. 拉絲拉絲其一端加工成圓錐形并接上一小段石英棒的預(yù)制棒其一端加工成圓錐形并接上一小段石英棒的預(yù)制棒固定于預(yù)制棒饋入器上，當錐形端饋入至溫度約固定于預(yù)制棒饋入器上，當錐形端饋入至溫度約

17、2200c的拉絲爐中一定時間后，一個溶化的垂體形的拉絲爐中一定時間后，一個溶化的垂體形成并下落，隨著下落，一根細的光纖就形成了。成并下落，隨著下落，一根細的光纖就形成了。加熱元件由氬氣保護以防止元件在空氣中燒毀。加熱元件由氬氣保護以防止元件在空氣中燒毀。采用了氦氣流以保護預(yù)制棒免受污染，采用了氦氣流以保護預(yù)制棒免受污染，光纖的缺陷、有害雜質(zhì)控制和表面侵蝕需嚴格控制，否則產(chǎn)生強烈吸收衰減缺陷結(jié)構(gòu)：si-h、si-oh篩選c. 篩選篩選張張力力篩篩選選光纖著色光纖著色光纖著色j 光纖的結(jié)構(gòu)光纖的結(jié)構(gòu)著色層芯層 5m 包層125m內(nèi)涂層外涂層 光纖帶的結(jié)構(gòu)光纖帶的結(jié)構(gòu) 光纜的結(jié)構(gòu)光纜的結(jié)構(gòu)束管式纖膏

18、加強芯纜膏固架式光纖帶 uv固化的原理固化的原理組成uv固化材料主要由光引發(fā)劑、預(yù)聚物、活性稀釋單體和各種添加劑組成光引發(fā)劑吸收uv輻射后，分裂成自由基或陽離子，隨即引發(fā)帶有雙鍵的預(yù)聚物和活性稀釋單體的鏈式聚合反應(yīng)，當條件合適時可在極短的時間內(nèi)交連、固化。例，二苯甲酮活性稀釋單體既可起到降低系統(tǒng)粘度的作用，又可參與固化反應(yīng)，成為固化材料的一部分。例，1,6已二醇二丙烯酸酯：ch2chcooch2(ch2)4ch2coochch2預(yù)聚物固化膜的主體，決定了固化材料的主要性能。例，環(huán)氧丙烯酸酯聚氨酯丙烯酸酯 uv固化的優(yōu)點固化的優(yōu)點 uv固化具有“4e”的優(yōu)點省能耗(energy)無污染(ecol

19、ogy)速率快(efficiency)經(jīng)濟(economy)也代表了傳統(tǒng)的熱固化涂料工藝的一個改進方向。用于光纖的uv固化涂料則是uv固化工藝杰出的應(yīng)用實例之一 uv固化的不足固化的不足固化膜收縮較多暗處難固化厚層及帶色體系難固化氧氣阻聚3. 3. 光纖涂料的被覆和固化光纖涂料的被覆和固化對涂料的要求（1）不會對光纖傳輸性能產(chǎn)生負面影響這就要求被覆涂料的內(nèi)層固化膜軟，玻璃化溫度低，不致引起光纖在高、低溫下的附加傳輸衰耗。外層涂料固化膜則要求硬，有高的模量和機械性能，以保護光纖不受外界因素的損害（2）固化速率快拉絲速率已達1000m/min以上甚至更高，現(xiàn)已采用紫外光(ultraviolet，u

20、v)固化所代替研制uv固化光纖涂料概況4. 4. 光纖纜光纖纜（optical cable）的制作的制作（1）光纖的著色 （2）光纖帶（ribbon of optical fiber）的制作 （3）光纜的制作 水的危害水的危害極少量的水就可能使石英光纖表面的微裂紋擴大，影響光纖的使用壽命水的存在可與石英光纖表面的二氧化硅作用，使羥基的數(shù)量增加，較多的羥基將使光纖的傳輸衰耗急劇增加 防水措施防水措施膏狀的憎水性物質(zhì)遇水膨脹形的物質(zhì)“阻水紗”光纖折光率分布光纖折光率分布types of optical fiber designs. (a) multimode, stepped- refractiv

21、e-index-profile. (b) multimode, graded- index-profile. (c) single-mode, stepped-index. graded-index is possible. atr0.00.10.20.30.40.50.60.7 a640/a1724af1e1d1c1b1b2c2d2e2f2figure 6-8 zirconia distribution on the cross section of hybrid rod (light intensity: 4.3mw/cm2; tpo concentration: 2.0% wt; irr

22、adiation time: 20min) -4-3-2-101234-0.10.00.10.20.30.40.50.60.7-4-3-2-101234zro2 relative contentdiameter/ mmdiameter/ mmsemfigure 6-9. sem micrograph of sample rod cross-section obtained via in-situ generate zirconia(light intensity: 4.3mw/cm2; tpo concentration: 2.0wt%; irradiation time: 20min) se

23、m(a)(b)(c)(d)figure 6-10. sem micrograph of sample rod cross-section obtained via in-situ generate zirconia(a) center (b) r=01mm (c) r=12mm (d) r= 23 mm(light intensity: 4.3mw/cm2; tpo%: 2.0%wt; irradiation time: 20min) dying with acid fuchsine (e)(b)(c)(d)(a)刻蝕染色染色沖洗figure 6-11 photograph of cross

24、surface dyed with acid fuchsine radial refractive index0204060801001.401.451.501.551.60 refractive indexalpha-bromonaphthalene %wt 0.00.71.42.12.83.51.491.501.511.521.531.541.551.56 refractive indexdistance (mm)figure 6-12 alpha-bromonaphthalene weight percentage and refractive index of composite oi

25、l profile figure 6-13 radial gradient refractive index of the hybrid rod obtained via fpp(light intensity: 4.3mw/cm2; tpo concentration: 2.0% wt; irradiation time: 20min) 液晶材料液晶材料一種介於固態(tài)和液態(tài)的中間狀態(tài)，即所謂的液晶（液晶（liquid crystalliquid crystal），已經(jīng)由液晶顯示器（liquid crystal display，即lcd）的普及化，而變得廣為人知。舉凡科學儀器上跳動的指示燈、電子

26、手錶等，都因為液晶顯示螢?zāi)欢_創(chuàng)了新的紀元。 noh3cno ch3o4,4-二甲氧基氧化偶氮苯 熔點116，形成渾濁液體；134時突變?yōu)橥该饕后w液晶材料1888年，奧地利植物學者reinitzer注意到他所合成的苯甲酸膽固醇酯(chelesteryl benzoate)竟有兩個熔點：在145 時，熔解為一種混濁的液狀物；達179 時，又突然變?yōu)橐话愕耐该饕后w。德國物理學者lemann取得此樣品，以偏光顯微鏡確認其為有組織方位性的液體有組織方位性的液體，即結(jié)晶液體結(jié)晶液體crystalline liquid）。dsc plot their discussion by mails finally

27、 lead to the first real investigation of liquid crystals, eventually to fundamental understandings of the nature of this new phase of matter. lehmann and reinitzer may thus with some justification be called the grandfathers of liquid crystal science. 什么樣的分子結(jié)構(gòu)具有液晶性？ 一般來說，細長棒狀或平面結(jié)構(gòu)對分子的平行排列有利，而分子的極性基團或

28、易極化的基團則關(guān)系到分子間的相互作用，進而影響相變溫度。 液晶液晶分子的中心橋鍵對液晶液晶性質(zhì)的影響很大。液晶液晶的化學穩(wěn)定性，首先取決于中心橋鍵的性質(zhì)，如芐叉（亞芐基）類液晶液晶的中心橋鍵是ch=n，它易于水解或氧化，對水極為敏感。又如，偶氯化合物容易被氧化，特別是在光的作用下。其他如含有雙鍵、三鍵的二苯乙烯二苯乙炔，肉桂酸酯等衍生物也易于被氧化，并易聚合，化學穩(wěn)定性相對較差，而且在紫外光下也可能會因聚合或裂解而失去液晶液晶的特性。 一般來說，如果橋鍵連接是剛性的，有利于形成液晶液晶相，支鏈端基則通常較為不利。端基鏈長的影響要微妙些。如果分子的剛性部分導(dǎo)致強的各向異性相互作用，那么增加鍵長不

29、利于液晶液晶相的穩(wěn)定，如果剛性部分不引起強的空間阻礙，增加鏈長有利各向異性的相互作用。 環(huán)數(shù)目增加，極大地增加液晶液晶的熱穩(wěn)定性，例如： 當n=1時，清亮點為121；當n=2時，清亮點為297，類似的情況用多環(huán)或稠環(huán)取代苯環(huán)，亦增加液晶液晶的穩(wěn)定性。 液晶材料液晶材料 液晶分子排列受分子形狀、手性、結(jié)構(gòu)控制； 由于液態(tài)特征，排列狀態(tài)易受環(huán)境影響，如溫度、電場、磁場、外來添加物等； 液晶薄膜表現(xiàn)出許多特有的光學性質(zhì)：折光、反射、透射、旋光等； 目前已有幾百種商業(yè)化液晶產(chǎn)品；液晶是白色混濁的粘性液體，顯示棒狀的分子形狀液晶是白色混濁的粘性液體，顯示棒狀的分子形狀常見液晶相：向列(nematic)相

30、、膽甾相(cholesteric)和近晶相(smectic)等在分子的長軸和短軸方向，折射率不同（雙折射） 液晶材料液晶材料-層列型液晶層列型液晶此類分子排列成層，層與層之間的作用力相當弱，使得每一層均可在平行層面的方向滑動，層內(nèi)分子間作用力較大，層內(nèi)粘性較高。多應(yīng)用於光記憶材料的發(fā)展。垂直站立 smectic a phase;傾斜站立 smectic c phase液晶材料液晶材料-向列型液晶向列型液晶nematic希臘字，英文thread。此類液晶通常在加熱到較高溫度時，層列物質(zhì)即被轉(zhuǎn)變成線列物質(zhì)。一維指向，有序度低，粘度小。此類液晶是最早被應(yīng)用的液晶，常見於液晶電視、手提電腦以及各類型的

31、顯示元件上。 一般認為，要呈現(xiàn)向列相和近晶相的液晶液晶分子必須滿足下列要求：（1）液晶液晶分子的幾何形狀呈棒狀，其長徑比不能太小，一般要大于4。（2）液晶液晶分子長軸應(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雙鍵或三鍵，形成共軛體系，以得到剛性的線型結(jié)構(gòu)，或者分子保持反式構(gòu)型，以得到線狀結(jié)構(gòu)。（3）要使偶極-偶極和誘導(dǎo)偶極-偶極相互作用有效，分子未端必須含有極性基團，或具有很強的可極化度。通過分子間電性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。最常見的向列相和近晶相分子是： 液晶材料液晶材料-膽固醇型液晶膽固醇型液晶 分子結(jié)構(gòu)多與膽固醇相似，形成螺旋狀結(jié)構(gòu)，常被運用於溫度感測器中，如電

32、子元件故障偵測或機械材料中的應(yīng)力顯示。雖然膽甾醇本身不具有液晶液晶性質(zhì)，但它的酯化物，羧酸化物，烷氧基化物都是隨著相變而顯示出特有顏色的膽甾相液晶液晶。例如，膽甾醇苯甲酸酯的熔體經(jīng)冷卻，呈現(xiàn)藍、藍綠、黃綠、橙紅等彩虹色。 其中只有當oh基團被置換，形成膽甾醇的酯化物、鹵化物及碳酸酯，而且其分子排列為細長分子構(gòu)型時，才有液晶性質(zhì)。 在一般液晶分子結(jié)構(gòu)中引入含有不對稱手性中心碳原子（“*”符號表示）基團，即引入旋光性基團，形成膽甾相的螺旋結(jié)構(gòu)，是一種非甾體的膽甾相液晶。如： 相變溫度（ch-i）：-14，螺距：0.3m，螺旋方向：左旋對于近晶c相的手性酯類液晶化合物，它們除呈現(xiàn)手性近晶c相(s*c

33、)外，也會呈現(xiàn)膽甾相(ch)。如： r=c8h17時時 c 76 sc 88.6 ch 155.4 i雙折射雙折射 birefringencebirefringent microlenses shows different focal points for each polarization componentbirefringent microlenses realized with the lc polymer molding technique replication technique for lc polymer elements when stressed, plastic and

34、 glass become birefringent. viewed between crossed polaroid filters, this birefringence appears as colored contours. place a plastic fork, or other plastic object, between your filters to make the stress lines visible. if you are using a fork, squeeze the tines together. what happens to the colored

35、stress lines? due to their birefringent nature, some transparent tapes produce brilliant colors when viewed between polarizing filters. using only transparent tape and a pair of polarizing filters, its possible to create beautiful colored designs reminiscent of cubist art and stained glass windows.

36、液晶的光電特性液晶的光電特性 由于液晶分子的結(jié)構(gòu)為異方性(anisotropic)，所以所引起的光電效應(yīng)就會因為方向不同而有所差異，簡單的說也就是液晶分子在介電系數(shù)及折射系數(shù)等等光電特性都具有異方性，因而我們可以利用這些性質(zhì)來改變?nèi)肷涔獾膹姸?以便形成灰階,來應(yīng)用于顯示器組件上.以下我們要討論的,是液晶屬于光學跟電學相關(guān)的特性,大約有以下幾項: 1.介電系數(shù)(dielectricpermittivity): 我們可以將介電系數(shù)分開成兩個方向的分量,分別是/(與指向矢平行的分量)與(與指向矢垂直的分量).當/便稱之為介電系數(shù)異方性為正型的液晶,可以用在平行配位.而/ 0。所以雙折射率n 0，我們

37、把它稱做是光學正型的液晶, 而層狀液晶與線狀液晶幾乎都是屬于光學正型的液晶。倘使光的行進方向平行于長軸時的速度較快的話，代表平行長軸方向的折射率小于垂直方向的折射率,所以雙折射率n 0。我們稱它做是光學負型的液晶。而膽固醇液晶多為光學負型的液晶。 液晶特性中 最重要的就是液晶的介電系數(shù)與折射系數(shù). 介電系數(shù)是液晶受電場的影響決定液晶分子轉(zhuǎn)向的特性, 而折射系數(shù)則是光線穿透液晶時影響光線行進路線的重要參數(shù). 而液晶顯示器就是利用液晶本身的這些特性, 適當?shù)睦秒妷? 來控制液晶分子的轉(zhuǎn)動, 進而影響光線的行進方向, 來形成不同的灰階, 作為顯示影像的工具. 當然啦, 單靠液晶本身是無法當作顯示器

38、的, 還需要其它的材料來幫忙, 以下我們要來介紹有關(guān)液晶顯示器的各項材料組成與其操作原理. 液晶可分為溶致液晶(lyotropic liquid crystal) 與 熱致液晶(thermotropic liquid crystal )溶致液晶是由雙親化合物與極性溶劑組成的二元或多元體系，雙親化合物包括簡單的脂肪酸鹽、離子型和非離子型表面活性劑，以及與生物體密切相關(guān)的復(fù)雜類脂等一大類化合物。根據(jù)分子的幾何形狀，雙親分子有兩種類型，一種以脂肪酸鹽為代表，例如硬脂酸鈉（c17h35coona），其中親水部分是coona，它連接在疏水的烴鏈上，在分子中形成一個極性“頭”和一個疏水“尾”（圖12a），

39、另一種類型是具有特殊生物意義的類脂，例如磷脂（圖12b），圖中r和r代表烴鏈，一般含有14-18個碳原子，分子中親水的極性頭連接在兩條疏水尾上，這兩條疏水鏈通常彼此并排列。 雙親分子互相締合可以使體系具有最小的自由能。締合時，非極性部分通過van der waals力相互結(jié)合，極性部分通過靜電引力相互作用。雙親分子在水溶液中締合的最基本的聚集態(tài)有三種，即層狀結(jié)構(gòu)、球形結(jié)構(gòu)和圓柱形結(jié)構(gòu)。圖13a所示的是層狀結(jié)構(gòu)，雙親分子作平面排列，分子的的疏水尾位于雙層的內(nèi)部，親水的極性頭位于外面，雙層內(nèi)的烴鏈可以移動，在較低的溫度時，具有類流體的性質(zhì)，這種層狀結(jié)構(gòu)與熱致液晶相十分相似。在球形和圓柱形結(jié)構(gòu)中，親

40、水頭互相締合排列于聚集體的外圍。球形和圓柱形結(jié)構(gòu)是膠團的兩種形式，在水溶液中，當沒有任何外力存在時，雙親分子堆積成球形結(jié)構(gòu)，降低了極性頭之間的推斥作用，當膠團溶液濃度增加時，體系的稠密性使球形變成圓柱膠團。structure of lyotropic liquid crystal. the red heads of surfactant molecules are in contact with water, whereas the tails are immersed in oil (blue): bilayer (left) and micelle (right) 多數(shù)溶致液晶具有層狀結(jié)構(gòu)

41、，稱為層狀相。在這種結(jié)構(gòu)內(nèi)，各層中，分子的長軸互相平行并且垂直于層的平面，雙親分子層彼此平行排列并被水層分隔。層狀相與熱致液晶的近晶a相很相似，二者都呈現(xiàn)出焦錐織構(gòu)、扇形織構(gòu)和細小的鑲嵌織構(gòu)。層狀相是單軸晶體，其光軸垂直于層的平面，如果烴鏈中c-c鏈垂直于層的平面，那么光學雙折射是正，而帶支鏈的雙親分子的層狀相則可呈正或負的雙折射。光亮、圓滑的條紋和假各向同性結(jié)構(gòu)也常見。 當雙親分子濃度減少，即水的濃度增加時，雙親分子與水接觸的面積增大，溶致液晶的層狀結(jié)構(gòu)變成為由球狀膠團組成的立方結(jié)構(gòu)；它具有立方的對稱性，光學上呈各向同性的中間相。立方相體系中的水含量繼續(xù)增多時，體系結(jié)構(gòu)將轉(zhuǎn)變?yōu)橛芍文z團組成

42、的六方相結(jié)構(gòu)。這些分子平行地“躺”在六角晶格上。在生物體內(nèi)有許多類似的結(jié)構(gòu)，最典型的是細胞膜結(jié)構(gòu)。某些熱致液晶化合物某些熱致液晶化合物 鐵電液晶 一類研究廣泛、性能突出的液晶材料鐵電體是具有自發(fā)極化的性質(zhì)鐵電體是具有自發(fā)極化的性質(zhì)，其極化方向在電場作用下可以反轉(zhuǎn)的材料，1975年meyer等人首次發(fā)現(xiàn)并證明，由手性分子組成的傾斜近晶相具有鐵電性。具體地講，滿足下列條件的液晶液晶具有鐵電性能：（1）具有近晶相，分子長軸與近晶相法線之間有傾斜角，并且傾角不等于零。（2）含有不對稱碳原子的分子，并且不是外消旋體。（3）對分子長軸垂直方向的偶極矩分量不為零。 滿足以上條件的最早發(fā)現(xiàn)的鐵電液晶液晶是do

43、bambc（-癸氧基亞芐基-氨基-2-甲基丁基肉桂酸酯）。后來合成了許多鐵電液晶液晶，這些液晶液晶都有簡稱，以下是鐵電液晶液晶分子結(jié)構(gòu)示例。 鐵電鐵電液晶液晶分子結(jié)構(gòu)式示例分子結(jié)構(gòu)式示例 各類液晶顯示器所用液晶材料dsn動態(tài)散射；tn扭曲向列型；stn超扭曲向列型；dstn雙層超扭曲向列型；fstn薄膜超扭曲向列型；am有源矩陣；tft薄膜晶體管 光子晶體光子晶體光子能隙光子能隙 早在半個世紀前，早在半個世紀前， 物理學家就已經(jīng)知道，晶體物理學家就已經(jīng)知道，晶體(如半導(dǎo)體如半導(dǎo)體)中的電子由于受到晶格的周期性位勢中的電子由于受到晶格的周期性位勢(periodic potential)散射，部份

44、波段會因破壞性散射，部份波段會因破壞性干涉而形成能隙干涉而形成能隙(energy gap)，導(dǎo)致電子的色散，導(dǎo)致電子的色散關(guān)系關(guān)系(dispersion relation)呈帶狀分布，此即眾所呈帶狀分布，此即眾所周知的電子能帶結(jié)構(gòu)周知的電子能帶結(jié)構(gòu) (electronic band structures)。簡介簡介8.5.1 簡介直到公元直到公元1987年，年，e. yablonovitch 及及s. john才不約而同才不約而同地指出，類似的現(xiàn)象也地指出，類似的現(xiàn)象也 存在于光子系統(tǒng)中：在介電系數(shù)存在于光子系統(tǒng)中：在介電系數(shù)呈周期性排列的三維介電材料中，電磁波經(jīng)介電函數(shù)散呈周期性排列的三維介

45、電材料中，電磁波經(jīng)介電函數(shù)散射后，某些波段的電磁波強度會因破射后，某些波段的電磁波強度會因破 壞性干涉而呈指數(shù)壞性干涉而呈指數(shù)衰減，無法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，相當于在頻譜上形成能隙，衰減，無法在系統(tǒng)內(nèi)傳遞，相當于在頻譜上形成能隙，于是色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu)，此即所謂的光子能于是色散關(guān)系也具有帶狀結(jié)構(gòu)，此即所謂的光子能 帶結(jié)帶結(jié)構(gòu)構(gòu)(photonic band structures)。具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì)，就稱為光能隙系統(tǒng)具有光子能帶結(jié)構(gòu)的介電物質(zhì)，就稱為光能隙系統(tǒng)(photonic band-gap system， 簡稱簡稱pbg系統(tǒng)系統(tǒng))，或簡稱，或簡稱光子晶體光子晶體(photonic cr

46、ystals)。 人造多層系統(tǒng)人造多層系統(tǒng)人造多層系統(tǒng) 事實上，在三維光子能帶結(jié)構(gòu)的概念尚未問世前，事實上，在三維光子能帶結(jié)構(gòu)的概念尚未問世前，層狀介電系統(tǒng)層狀介電系統(tǒng)即一維的光子晶格即一維的光子晶格已被研究多年，已被研究多年，電磁波在該系統(tǒng)中的干涉電磁波在該系統(tǒng)中的干涉 現(xiàn)象早已應(yīng)用在各種光學實現(xiàn)象早已應(yīng)用在各種光學實驗中，做為波段選擇器、濾波器或反射鏡等。驗中，做為波段選擇器、濾波器或反射鏡等。例如光學中常見例如光學中常見布拉格反射鏡布拉格反射鏡(bragg reflector) ，乃是，乃是一種四分之一波長多層系統(tǒng)一種四分之一波長多層系統(tǒng)(quarter-wave-stack multi

47、-layered system)， 說穿了就是簡單的一維光子晶體。說穿了就是簡單的一維光子晶體。 盡管如此，這方面的研究卻停留在一維系統(tǒng)的光學性質(zhì)盡管如此，這方面的研究卻停留在一維系統(tǒng)的光學性質(zhì)上，物理界一直未能以上，物理界一直未能以“晶格晶格”的角度來看待周期性光的角度來看待周期性光學系統(tǒng)，也因此遲遲未將固態(tài)物理上已發(fā)展成熟的能帶學系統(tǒng)，也因此遲遲未將固態(tài)物理上已發(fā)展成熟的能帶理論運用在理論運用在 這方面。這方面。一直到了一直到了1989年，年，yablonovitch及及gmitter首次嘗試在實首次嘗試在實驗上證明三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在，該實驗雖然功虧一驗上證明三維光子能帶結(jié)構(gòu)的存在，該

48、實驗雖然功虧一 簣，但物理界已注意到其潛力，于是開始大舉投入這方簣，但物理界已注意到其潛力，于是開始大舉投入這方面的研究。面的研究。 第一個具有絕對能隙的光子晶體第一個具有絕對能隙的光子晶體 及其經(jīng)過特別設(shè)計的制作方式及其經(jīng)過特別設(shè)計的制作方式 8.5.2 光子晶體的分類光子晶體的分類光子晶體的分類光子晶體是在一維、二維或三維架構(gòu)上具有高光子晶體是在一維、二維或三維架構(gòu)上具有高度秩序排列的材料，一般所謂的光學多層膜即度秩序排列的材料，一般所謂的光學多層膜即是一維架構(gòu)的光子晶體，已被廣泛地應(yīng)用在光是一維架構(gòu)的光子晶體，已被廣泛地應(yīng)用在光學鏡片上。而具有二維或是三維高度秩序排列學鏡片上。而具有二維

49、或是三維高度秩序排列的結(jié)構(gòu)則是目前在光子晶體領(lǐng)域中最受到重視的結(jié)構(gòu)則是目前在光子晶體領(lǐng)域中最受到重視的一環(huán)。的一環(huán)。 8.5.3 光子晶體的制造方法光子晶體的制造方法光子晶體的制造方法光蝕刻技術(shù)制造二維及三維光子晶體光蝕刻技術(shù)制造二維及三維光子晶體 利用光蝕刻技術(shù)制造二維光子晶體利用光蝕刻技術(shù)制造二維光子晶體 利用光蝕刻技術(shù)不但可以精確地制造出高度次序排列利用光蝕刻技術(shù)不但可以精確地制造出高度次序排列的數(shù)組，更可利用光罩的設(shè)計來達成光波導(dǎo)的行徑方的數(shù)組，更可利用光罩的設(shè)計來達成光波導(dǎo)的行徑方向。向。利用光蝕刻技術(shù)可成功的制造出二維光子晶體，比方利用光蝕刻技術(shù)可成功的制造出二維光子晶體，比方在光

50、子晶體結(jié)構(gòu)中制造一瑕疵點，則會使得某些波長在光子晶體結(jié)構(gòu)中制造一瑕疵點，則會使得某些波長的光無法穿越此光子晶體而成為光子絕緣體，因而這的光無法穿越此光子晶體而成為光子絕緣體，因而這些特定波長的光子將被限制在瑕疵點中，進而形成一些特定波長的光子將被限制在瑕疵點中，進而形成一高密度、高能量的共振場，則可制造出零臨界電壓的高密度、高能量的共振場，則可制造出零臨界電壓的雷射發(fā)生器。雷射發(fā)生器。光蝕刻技術(shù)制造三維光子晶體光蝕刻技術(shù)制造三維光子晶體 （ science 289, 605, 2000） 自組裝自組裝(self-assembly) 制造三維光子晶體制造三維光子晶體 采用均一粒徑的聚苯乙烯、聚甲

51、基丙烯酸甲酯或是二采用均一粒徑的聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯或是二氧化硅納米顆粒利用自然、離心、抽濾以及真空等方氧化硅納米顆粒利用自然、離心、抽濾以及真空等方式將納米顆粒制成模板，再于模板上添加無機氧烷單式將納米顆粒制成模板，再于模板上添加無機氧烷單體使其進行溶膠凝膠反應(yīng)，最后利用鍛燒與萃取等方體使其進行溶膠凝膠反應(yīng)，最后利用鍛燒與萃取等方式將有機模板移除，可生成具有光學晶體性質(zhì)之高度式將有機模板移除，可生成具有光學晶體性質(zhì)之高度均一孔徑之三維光子晶體均一孔徑之三維光子晶體 。自組裝光子晶體制造方式自組裝光子晶體制造方式 自組裝光子晶體自組裝光子晶體 （ nature 414, 257 &

52、; 290,2001） 控制溫度梯度以及濃度梯度所制成之三維光子晶體控制溫度梯度以及濃度梯度所制成之三維光子晶體 電子束微影法電子束微影法 操作于紅外光與可見光的光子晶體，其晶體之晶格大小約為操作于紅外光與可見光的光子晶體，其晶體之晶格大小約為波長的波長的1/4到到1/2，大約相當于，大約相當于200-500納米。若要以人工的方納米。若要以人工的方式制作這樣周期大小的光子晶體，一種方式是以成長或化學式制作這樣周期大小的光子晶體，一種方式是以成長或化學合成的技術(shù)，建構(gòu)薄膜合成的技術(shù)，建構(gòu)薄膜(thinfilm)或納米顆?；蚣{米顆粒(nanoparticles)；另一種方式是使用分辨率比傳統(tǒng)微米級更高的深紫外線成像另一種方式是使用分辨率比傳統(tǒng)微米級更高的深紫外線成像技術(shù)（技術(shù)（deep-uv photolithography）。）。除此之外，近年來各國積極發(fā)展的電子束微影（除此之外，近年來各國積極發(fā)展的電子束微影（e-beam photolithography）法，是非常重要的納米制程技術(shù)。目前）法，是非常重要的納米制程技術(shù)。目前大部分光子晶體的應(yīng)用都需配合電子束顯微法。大部分光子晶體的應(yīng)用都需配合電子束顯微法。 電子束微影的制作流程示意圖電子束微影的制作流程