光電材料制備-

光電材料制備

SchoolofPhysicsandElectronics,CentralSouthUniversity

Hui

Xia

xhui73@

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光電材料：光電材料是指用于制造各種光電設(shè)備（主要包括各種主、被動(dòng)光電傳感器光信息處理和存儲(chǔ)裝置及光通信等）的材料。紅外材料：紅外探測(cè)材料和紅外透波材料；從光波光譜分：紅外材料、激光材料、光纖材料、非線性光學(xué)材料等光電材料定義、分類及應(yīng)用紅外探測(cè)材料：包括硫化鉛、銻化銦、鍺摻雜（金、汞）、碲錫鉛、碲鎘汞、硫酸三甘酞、鉭酸鋰、鍺酸鉛、氧化鎂等一系列材料，銻化銦和碲鎘汞是目前軍用紅外光電系統(tǒng)采用的主要紅外探測(cè)材料，特別是碲鎘汞（Hg-Cd-Te）材料，是當(dāng)前較成熟也是各國(guó)側(cè)重研究發(fā)展的主要紅外材料。它可應(yīng)用于從近紅外、中紅外、到遠(yuǎn)紅外很寬的波長(zhǎng)范圍，還具有以光電導(dǎo)、光伏特及光磁電等多種工作方式工作的優(yōu)點(diǎn)，但該材料也存在化學(xué)穩(wěn)定性差、難于制成大尺寸單晶、大面積均勻性差等缺點(diǎn)，Hg-Cd-Te現(xiàn)已進(jìn)入薄膜材料研制和應(yīng)用階段，為了克服該材料上述的缺點(diǎn)，國(guó)際上探索了新的技術(shù)途徑：Preparationof

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碲鎘汞（Hg-Cd-Te）材料紅外熱成像光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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光電材料定義、分類及應(yīng)用ComplementaryMetalOxideSemiconductor

互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體

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光電材料定義、分類及應(yīng)用（1）用各種薄膜外延技術(shù)制備大尺寸晶片，這些技術(shù)包括分子束外延（MBE）、液相外延（LPE）和金屬有機(jī)化合物氣相淀積（MOCVD）等。特別是用MOCVD可以制出大面積、組分均勻、表面狀態(tài)好的Hg-Cd-Te薄膜，用于制備大面積焦平面陣列紅外探測(cè)器。國(guó)外用MOCVD法已制成面積大于5cm2、均勻性良好、Δx=0.2±0.005、工藝重復(fù)性好的碲鎘汞單晶薄膜，64×64焦平面器件已用于型號(hào)系統(tǒng)、512×512已有樣品。紅外探測(cè)材料：Preparationof

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工藝重復(fù)性好的碲鎘汞單晶薄膜

光電材料定義、分類及應(yīng)用（2）尋找高性能新紅外材料取代Hg-Cd-Te，主要包括：①Hg-Mn-Te和Hg-Zn-Te，美國(guó)和烏克蘭等國(guó)從80年代中就開(kāi)展了這方面的研究，研究表明，Hg1-xZnxTe和Hg1-xCdxZnyTe的光學(xué)特性和碲鎘汞很相似，但較容易獲得大尺寸、低缺陷的單晶，化學(xué)穩(wěn)定性也更高。Hg1-xMnxTe是磁性半導(dǎo)體材料，在磁場(chǎng)中的光伏特性與碲鎘汞幾乎相同，但它克服了Hg-Te弱鍵引起的問(wèn)題。

②高溫超導(dǎo)材料，現(xiàn)處于研究開(kāi)發(fā)階段，已有開(kāi)發(fā)成功的產(chǎn)品。

③Ⅲ-V超晶格量子阱化合物材料，可用于8～14μm遠(yuǎn)紅外探測(cè)器，如：InAs/GaSb（應(yīng)變層超晶格）、GaAs/AlGaAs（量子阱結(jié)構(gòu)）等。

④SiGe材料，由于SiGe材料具有許多獨(dú)特的物理性質(zhì)和重要的應(yīng)用價(jià)值，又與Si平面工藝相容，因此引起了微電子及光電子產(chǎn)業(yè)的高度重視。SiGe材料通過(guò)控制層厚、組分、應(yīng)變等，可自由調(diào)節(jié)材料的光電性能，開(kāi)辟了硅材料人工設(shè)計(jì)和能帶工程的新紀(jì)元，形成國(guó)際性研究熱潮。Si/GeSi異質(zhì)結(jié)構(gòu)應(yīng)用于紅外探測(cè)器有如下優(yōu)點(diǎn)：截止波長(zhǎng)可在3～30μm較大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)，能保證截止波長(zhǎng)有利于優(yōu)化響應(yīng)和探測(cè)器的冷卻要求。Si/GeSi材料的缺點(diǎn)在于量子效率很低，目前利用多個(gè)SiGe層來(lái)解決這一問(wèn)題。紅外探測(cè)材料：Preparationof

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斗篷的內(nèi)表面是用"高溫超導(dǎo)條帶"排列而成的

光電材料定義、分類及應(yīng)用(3)1996年美國(guó)國(guó)防部國(guó)防技術(shù)領(lǐng)域計(jì)劃將開(kāi)發(fā)先進(jìn)紅外焦平面陣列的工作重點(diǎn)確定為：研制在各種情況下應(yīng)用（包括監(jiān)視和夜間/不利氣象條件下使用的紅外焦平面陣列）的紅外探測(cè)器材料，其中包括以如下三種材料為基礎(chǔ)的薄膜和結(jié)構(gòu)：具有芯片上處理能力的GgCdTe單片薄膜、InAs/GaSb超晶格和SiGe（肖特基勢(shì)壘器件）。這三種材料也正是當(dāng)前紅外探測(cè)材料發(fā)展和研究的熱點(diǎn)。紅外探測(cè)材料：Preparationof

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碲鎘汞光子探測(cè)器

紅外對(duì)射探測(cè)器

光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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紅外透波材料:主要用作紅外探測(cè)器和飛行器中的窗口、頭罩或整流罩等，它的最新進(jìn)展和發(fā)展方向如下：（1）目前，在中紅外波段采用的紅外透過(guò)材料有鍺鹽玻璃、人工多晶鍺、氟化鎂（MgF2）、人工藍(lán)寶石和氮酸鋁等，特別是多晶氟化鎂，被認(rèn)為是綜合性能比較好的材料。遠(yuǎn)紅外材料是紅外透過(guò)材料當(dāng)前研究發(fā)展的重點(diǎn)方向之一，8～14μm長(zhǎng)波紅外透過(guò)材料有：硫化鋅（ZnS）、硒化鋅（ZnSe）、硫化鑭鈣（CaLa2S4）、砷化鎵（GaAs）、磷化鎵（GaP）和鍺（Ge）等。ZnS被認(rèn)為是一種較好的遠(yuǎn)紅外透過(guò)材料，在3～12μm范圍，厚2mm時(shí)，平均透過(guò)率大于70%，無(wú)吸收峰，采取特殊措施，最大紅外透過(guò)率達(dá)95.8%。國(guó)外已采用ZnS作為遠(yuǎn)紅外窗口和頭罩材料，像美國(guó)的LANTRIRN紅外吊艙窗口，Learjel飛機(jī)窗口等。美國(guó)Norton國(guó)際公司先進(jìn)材料部每年生產(chǎn)上千個(gè)ZnS頭罩。ZnS多晶體的制備方法主要有兩種：熱壓法與化學(xué)氣相淀積法（CVD），CVD法制備的材料性能較好。光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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（2）紅外透過(guò)材料發(fā)展的另一個(gè)重要方向是：耐高溫紅外透過(guò)材料的研究。高速飛行器在飛行過(guò)程中會(huì)對(duì)紅外窗口和罩材產(chǎn)生高溫、高壓、強(qiáng)烈的風(fēng)砂雨水的沖刷和浸蝕，影響紅外透過(guò)材料的性能，因此需要一系列新型的耐高溫、具有綜合光學(xué)、物理、機(jī)械、化學(xué)性能的新材料。這些條件下使用的理想材料從室溫到1000℃應(yīng)具有下列特性：在使用波段內(nèi)具有高透過(guò)，低熱輻射、散射及雙折射，高強(qiáng)度，高導(dǎo)熱系數(shù)，低熱膨脹系數(shù)，抗風(fēng)砂雨水的沖擊和浸蝕，耐超聲波輻射等。最近研究較多的耐高溫紅外透過(guò)材料有鎂鋁尖晶石、蘭寶石、氧化釔、鑭增強(qiáng)氧化釔和鋁氧氮化物ALON等。鎂鋁尖晶石是近年來(lái)研究最多的最優(yōu)秀的紅外光學(xué)材料之一，它能在高溫、高濕、高壓、雨水、風(fēng)砂沖擊及太陽(yáng)暴曬下仍保持其性質(zhì)，因而是優(yōu)先選用的耐高溫紅外透過(guò)材料，它可透過(guò)200nm到6μm的紫外、可見(jiàn)光及紅外光。單晶監(jiān)寶石也是一種耐高溫紅外材料，它可透過(guò)從遠(yuǎn)紫外0.17μm到6.5μm的紅外光，用新研制的熱交換法晶體生長(zhǎng)過(guò)程可以制造直徑達(dá)25cm的大尺寸藍(lán)寶石。氧化釔和鑭增強(qiáng)氧化釔的透過(guò)波長(zhǎng)為8μm，在氧化釔中摻入氧化鑭，材料強(qiáng)度提高30%，光學(xué)特性不變。由于高溫下具有很高的硬度，所以它具有很好的抗沖擊、抗浸蝕性能。嚴(yán)格的說(shuō)到目前還沒(méi)有一種理想的材料能完全滿足上述要求。但包括上述材料在內(nèi)的不少材料具有較理想的綜合性質(zhì)。

紅外透波材料:光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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紅外透波材料:（3）紅外透過(guò)材料的第三個(gè)發(fā)展方向是：紅外/毫米波雙模材料，這是為適應(yīng)紅外/毫米波雙模復(fù)合材料制導(dǎo)技術(shù)的需要。目前，能滿足紅外/毫米波雙模材料既要有高的遠(yuǎn)紅外透過(guò)率又有小的介電常數(shù)和損耗角正切的要求，高性能的紅外/毫米波雙模材料尚待進(jìn)一步研究發(fā)展。紅外材料的應(yīng)用：包括各種導(dǎo)彈的制導(dǎo)、紅外預(yù)警（包括探測(cè)、識(shí)別和跟蹤、預(yù)警衛(wèi)星、預(yù)警飛機(jī)、各種偵察機(jī)等）、觀察瞄準(zhǔn)（高能束攔截武器等）。雙色紅外/毫米波雙模三波段復(fù)合制導(dǎo)的反坦克武器

紅外/毫米波雙模制導(dǎo)

光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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激光材料:目前固體激光器正尋求在可見(jiàn)和近可見(jiàn)光譜范圍波長(zhǎng)可調(diào)，為此而發(fā)現(xiàn)的可調(diào)諧激光晶體已有30多種，其中，Cr3

離子摻雜新晶體具有較高受激輻射截面和低飽和能量密度，它們的波長(zhǎng)范圍是：Cr3:LiCaAlF3為0.72～0.84μm、Cr3:LiSrAlF6為0.78～1.01μm，特別是Cr:LiSAF，它的飽和能量密度為5J/cm2，在激光調(diào)諧范圍，熒光壽命、激光效率、熱透鏡效應(yīng)等方面具有良好的性能。新型材料拓展固體激光器的性能

光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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光電材料定義、分類及應(yīng)用即NA越大或越小，讀出的激光光斑越小，光盤(pán)存儲(chǔ)密度越高Preparationof

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光纖材料:寬帶、抗電磁和強(qiáng)核電磁脈沖干擾、保密、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)非線性光學(xué)材料：非線性光學(xué)晶體材料bbo偏硼酸鋇晶體

光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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軍用光電材料研究的目的是將研究成果應(yīng)用于新一代高技術(shù)光電子裝備系統(tǒng)，提高電子進(jìn)攻和防衛(wèi)綜合電子戰(zhàn)的能力。軍用光電材料是軍用光電子技術(shù)的重要基礎(chǔ)，對(duì)軍用光電子裝備系統(tǒng)有重要的賦能和倍增作用。以紅外材料為基礎(chǔ)的光電成像夜視技術(shù)能增強(qiáng)坦克、裝甲車、飛機(jī)、軍艦及步兵的夜戰(zhàn)能力，為航空、衛(wèi)星偵察、預(yù)警提供重要手段，成像制導(dǎo)技術(shù)可大大提高導(dǎo)彈的命中率和抗干擾能力。以新型固體激光材料為基礎(chǔ)的激光測(cè)距、激光致盲武器和火控制系統(tǒng)等使作戰(zhàn)能力大大加強(qiáng)。可調(diào)諧激光晶體為從可見(jiàn)光到紅外波段可調(diào)諧激光系統(tǒng)提供工作物質(zhì)可提高激光雷達(dá)、空中傳感和水下探測(cè)等軍用激光系統(tǒng)的領(lǐng)域監(jiān)視、偵察能力。利用光纖材料、寬帶、抗電磁和強(qiáng)核電磁脈沖干擾、保密、體積小、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)和抗輻照等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)地面武器系統(tǒng)無(wú)人遠(yuǎn)距離傳感陣和有人控制站之間的GB/s級(jí)信息傳輸；艦船指揮可以通過(guò)光纖為遠(yuǎn)距離艦隊(duì)發(fā)送信號(hào)，進(jìn)行指揮；飛機(jī)將能發(fā)射光纖攜繩的機(jī)載無(wú)人加強(qiáng)飛機(jī)或靶機(jī)；以往的武器有線制導(dǎo)將被光纖制導(dǎo)所取代；軍用運(yùn)載體的慣性導(dǎo)航系統(tǒng)將被光纖陀螺所取代；戰(zhàn)略武器發(fā)射的C3I系統(tǒng)也將啟用光纖C3I網(wǎng)絡(luò)等等。總之，軍用光纖系統(tǒng)的應(yīng)用，將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超越話音和低速率數(shù)據(jù)通信的范圍，而進(jìn)入傳感、海上或空中武器平臺(tái)及各種高速率傳輸系統(tǒng)。軍事應(yīng)用光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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從應(yīng)用范圍分：光電功能材料、光電顯示材料、光電轉(zhuǎn)換材料、納米光電材料等；按性質(zhì)分：光電子發(fā)射材料、光電導(dǎo)材料、光電動(dòng)勢(shì)材料光電子發(fā)射材料：當(dāng)光照射到材料上，光被材料吸收產(chǎn)生發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為光電子發(fā)射現(xiàn)象，具有這種現(xiàn)象的材料稱為光電子發(fā)射材料。正電子親和陰極材料如：?jiǎn)螇A-銻、多堿-銻等負(fù)電子親和陰極材料如：硅、磷化鎵、等光電陰極：光電轉(zhuǎn)換器、微光管、光電倍增管、高靈敏電視攝像管半導(dǎo)體負(fù)電子親和勢(shì)光陰極：變像管夜視儀，可在特殊氣候條件下照常工作（如無(wú)月光、無(wú)星光、有云、有霧的氣候條件）應(yīng)用：光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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光電導(dǎo)材料：受光照射電導(dǎo)急劇上升的現(xiàn)象被稱為光電導(dǎo)現(xiàn)象，具有此現(xiàn)象的材料叫光電導(dǎo)材料。光電導(dǎo)半導(dǎo)體如：?jiǎn)误w（鍺、硅），氧化物，鎘化物，鉛化物等光電導(dǎo)陶瓷如：CdS陶瓷等有機(jī)高分子光導(dǎo)體如：聚氮乙烯基咔唑和2，4，7-三硝基芴酮組成的傳奇絡(luò)合物（CT）(1)光探測(cè)器中的光敏感器件及半導(dǎo)體光電二極管(2)光敏晶體三極管如：CdS

(3)高阻抗元件如：銅摻雜到CdS應(yīng)用：光電材料定義、分類及應(yīng)用Preparationof

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