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1、光电显示材料,2.1 发光机理与发光特性 2.2 光电显示材料和器件的基本特性 2.3 发光显示材料 2.4 受光显示材料 2.5 光电显示材料的发展前景,一. 光辐射,2.1 发光机理与发光特性,定义： 以电磁波形式或能量量子（光子）形式传播的能量以及这种能量的传播过程称为光辐射。 2.形成机制 光源：能够辐射电磁波的物体 原子核变化：g射线 原子电子结构变化：可见，紫外，X射线 原子晶格振动：红外，微波，无线电波 3.分类：按光辐射的波长分 （ 注：发光波长由光源决定 ）,一般认为，光辐射的波长在10nm1mm。 一般按辐射波长及人眼的生理视觉效应将光辐射分成三部分：紫外辐射、可见光、红外
2、辐射。,二. 固体材料的发光过程分类,根据发光机理的不同，发光过程可以分为两类，即分立发光和复合发光。,分立发光：发光中心受激发时并未离化，即激发和发射过程发生在彼此独立的、个别的发光中心内部的发光。 特点：单分子过程，并不伴随着光电导，又称“非光电导型”发光。,复合发光：发光材料受激发时分离出一对带异号电荷的粒子（一般为正离子或者空穴和电子），这两种粒子复合时的发光。,由于离化的带电粒子在发光材料中漂移或扩散，从而构成特征性光电导，所以又称“光电导型”发光。,发光（Luminescence）一般用来描述某些固体材料由于吸收能量而随之发生的发射光现象。,根据激发光源类型的不同，发光过程主要有如
3、下三类：,光致发光（Photoluminescence）：以光子或光为激发光源。 电致发光（Electroluminescence）：以电能（直流或交流电场）作激发源 阴极致发光（Cathodoluminescence）：使用阴极射线或高能电子束为激发源。 化学发光：某些化学反应中释放的能量可以转变为光能。 摩擦发光：机械作用所引起的发光。机械压力作用下由于压电效应可以形成局部电场,在局部电场作用下可以发生齐纳击穿,从而产生电子-空穴对, 然后它们复合时可以发射出光子.,光致发光 （1）定义：在外界光源照射下，物体从中获得能量，产生激发导至发光的现象。 （2）光致发光的主要过程： 光吸收：能级
4、间跃迁 能量传递：通过激发态的运动实现 光发射：能级间跃迁 无辐射跃迁：激发态弛豫的重要途径 （影响发光效率） （3）激发光源的类型 紫外辐射（常用）、可见光、红外辐射光源,（4）光致发光的应用 1）照明光源 日光灯：最普遍的应用,灯管内气体放电产生的紫外线激发管壁上的发光粉而发出可见光。其效率约为白炽灯的5倍。,上图是荧光灯的构造示意图，它由一个内壁涂有发光粉的玻璃管内充有汞蒸气和氩气构成。通电后，汞原子受到灯丝发出电子的轰击，被激发到较高能态。当它返回到基态时便发出波长为254nm和185nm的紫外光，涂在灯管内壁的发光粉受到这种光辐照，就随之发出白光。这里我们说的是低压汞灯，还有高压汞灯
5、，但原理都一样。,其它照明光源： 低压汞灯：主要应用作杀菌灯、荧光分析、光谱仪波长基准。低压汞灯光强低，光固化速度慢，但发热量小，不需冷却就可使用.,紫外线杀菌灯（UV灯),高压汞灯：玻壳内表面涂有荧光粉的高压汞蒸汽放电灯，发柔和的白色灯光。结构简单，低成本，低维修费用，可直接取代普通白炽灯，具有光效长，寿命长，省电经济的特点。只适于广场、街道的照明。,荧光灯：灯管内壁涂有荧光粉，荧光粉吸收紫外线的辐射能后发出可见光。荧光粉不同，发出的光线也不同，这就是荧光灯可做成白色和各种彩色的缘由。荧光灯的发光效率远比白炽灯和卤钨灯高，是目前节能的电光源。,（4）光致发光的应用 2）平板显示 等离子体显示
6、： 利用惰性气体（Ne、He、Xe等）在一定电压的作用下产生气体放电（紫外光），形成等离子体，发射真空紫外线进而激发三基色光致发光荧光粉而发射可见光的一种主动发光型平板显示。,松下85寸等离子体电视,（4）光致发光的应用 3）磷光和荧光 （自发辐射） 磷光：当某种常温物质经某种波长的入射光（通常是紫外线或X射线）照射，吸收光能后进入激发态，再缓慢地退激发并发出比入射光的的波长长的出射光（通常波长在可见光波段）。,荧光发光机制,磷光体发光机制,夜明珠,2010年11月22日，海南侨乡文昌市宝玉宫展出世界上最贵的的夜明珠，这颗夜明珠来自中国内蒙古，材质以萤石矿物为主，发现时是不规则形状，用 3 年
7、时间加工而成现形，重达 6 吨，直径1 . 6 米，在关闭光源的黑暗环境中能发出晶莹透亮的光芒。业内专家估计价值22亿元人民币。,紫外线光照下，叶绿素也能发光,（4）光致发光的应用 4）科研用途：PL谱 光致发光是光与物质相互作用的反映，可以提供有关材料的结构、成分及环境原子排列的信息，是一种非破坏性的、灵敏度高的分析方法。激光的应用更使这类分析方法深入到微区、选择激发及瞬态过程的领域，使它又进一步成为重要的研究手段，应用到物理学、材料科学、化学及分子生物学等领域，逐步出现新的边缘学科。,2.电致发光,（1）定义：电致发光又称电场发光，简称EL，是通过加在两电极的电压产生电场，被电场激发的电子
8、碰击发光中心，而引致电子解级的跃进、变化、复合导致发光的一种物理现象。电致发光为冷光。,典型的电致发光材料： 掺杂了Cu和Ag的ZnS 蓝色钻石 目前电致发光的研究方向： 有机电致发光材料,（2）电致发光的特点: 1)由电场直接作用所致，直接将电能转换为光能，无任何中间形式能量转换，是最直接的光激发方式，易于调制. 2)发光体属于整个电路的一部分，对发光效率会有所影响。 3)电致发光的发光性能通常不均匀。（样品的不均匀导致加了电压后电场强度不均匀） 4)非平衡载流子的激发和复合通常发生在不同时间 5)交变电场下，表面状况对发光效率影响较大。,（3） 电致发光的两种形式: 1）由于载流子注入晶体
9、中及随后的复合所引起的(通常是直流低电压). 如III-V族化合物半导体制成的p-n结（注入式电致发光）. 2）由于粉末材料在强电场(通常是交流电场)作用下通过碰撞电离激发而产生的.如：II-VI族化合物半导体,（4） 电致发光的机理,1）注入式发光 正向偏置的p-n结,加上正向电压, 使得势垒高度降低而载流子的势能提高,于是可以继续发生载流子的扩散: 空穴从p区注入n 区, 电子从n区注入p区, 即有正向电流通过. 与此同时,在结附近扩散长度范围内, 注入的空穴与n区电子复合而发光. 同样地, 注入电子与p区空穴复合而发光.,异质结：可控制某一种载流子优先注入发光,bebh, 加上正向电压V
10、后p区的空穴较易注入n区, 并与n区电子相复合而发光, 即n区为发光区.,2）碰撞的电离激发 在强电场作用下半导体中电子被加速，与晶格原子或发光中心发生非弹性碰撞作用，同时失去从电场得到的一部分能量。如果每次碰撞损失的能量小于两次碰撞之间由电场所获得的能量，则电子的动能可以逐渐增加直至大于Eg，在这种能量值下出现把能量转交给价带电子或发光中心并产生新载流子的可能性。新载流子与原来电子一样可以被电场加速。在足够强的电场下这些过程的结果可以使载流子数目雪崩般倍增。这时可能会有一部分电子-空穴对复合，并发射出光子。,（5） 电致发光的应用 1）固态照明,2）平板显示,据称，韩国三星公司将于2013年
11、上半年发布新一代柔软屏幕的智能手机。（有机电致发光）,3）科研用途：EL谱,3.阴极射线致发光 （1）定义 阴极射线或高能电子束（电子的能量：1e3-1e4电子伏特）入射到发光材料表面，大部分都可进入材料内部。产生速度越来越低的“次级”电子，直到发光体中出现大量的能量在几电子伏到十几电子伏的低速电子。这些低能量的电子离化或激发发光中心引起的发光。 （2）应用 显示：CRT电视、雷达、示波器、计算机的荧光屏 科研用途：作为一种分析手段来研究物质的结构和成分（CL谱）,三. 半导体材料的辐射跃迁,本征辐射跃迁：电子从导带跃迁至价带 直接跃迁和间接跃迁: 直接跃迁几率比间接跃迁几率大得多. 发光器件
12、多采用直接跃迁半导体.,定义：:伴随有发射光子的电子跃迁过程称为辐射跃迁.,2. 激子辐射复合,（1）自由激子,直接带隙半导体,间接带隙半导体,（2）束缚激子,自由激子的束缚能或离解能,将激子局限在杂质中心的附加束缚能,间接复合时必须发射声子,3. 能带与杂质能级之间的辐射跃迁,（1）浅跃迁 （2）深跃迁,4. 施主与受主间的辐射跃迁：被施主束缚的电子和被受主束缚的空穴相复合。间接带隙半导体,四. 发光和发光材料的特点,1. 颜色特征,不同的发光中心，在不同的基质材料中，可能发出不同波长的光。已知的发光材料可以覆盖整个可见光的范围。,吸收光谱和发射光谱表征发光材料特性的常用方法。 吸收光谱是材
13、料激发时所对应的光谱，相应吸收峰的波长就是激发时能量对应波长。发射光谱反映发光材料辐射光的情况，对应谱峰的波长就是发光的颜色，一般说来发光波长大于吸收光谱的波长。,Zn2SiO4：Mn的发射光谱和吸收光谱,宽带材料：半宽度100nm，如CaWO4,窄带材料：半宽度50nm，如Sr(PO4)3Cl：Eu3+,线谱材料：半宽度0.1nm，如GdVO4：Eu3+,依照发射峰半宽度,发光材料究竟属于哪一类，既与基质有关，又与杂质有关。例如，将Eu2+掺杂在不同的基质中，可以得到上述3种类型的发光材料，而且随着基质的改变，发光的颜色也可以改变。,发射峰的半宽度,从材料的发射光谱来看，发射谱峰的宽窄也是发
14、光材料的重要特性，谱峰越窄，发光材料的单色性越好，反之亦然。我们将谱峰1/2高度时峰的宽度称作半宽度。,发光材料的另一个重要特性是其发光强度，发光强度也随激发强度而改变。通常用发光效率来表征材料的发光本领，有3种表示方法： 量子效率 发射物质辐射的量子数N发光与激发光源输入的量子数N吸收（如是光致发光则是光子数；如系电致发光，则是电子数。余类推。）的比值： B量子 = N发光 / N吸收 能量效率 光能量与激发源输入能量之间的比值 B量子 = E发光 / E吸收 光度效率 光的流明数与激发源输入流明数的比值： B量子 =光度发光 / 光度吸收,2. 发光强度,3. 发光持续时间（余辉）,荧光：
15、激发和发射两个过程之间的间隙极短，约为10-8秒。只要光源一离开，荧光就会消失。,磷光：在激发源离开后，发光还会持续较长的时间。,余辉时间：当激发停止后，发光强度衰减到10%所经历的时间。,极短余辉：余辉时间1s的发光,短 余 辉：余辉时间110s的发光,中短余辉：余辉时间10-21ms的发光,中 余 辉：余辉时间1100ms的发光,长 余 辉：余辉时间10-11s的发光,极长余辉：余辉时间1s的发光,发光材料的颜色在商品上主要用所谓色坐标来表示。我们知道，平常所看到的颜色都可以用红、绿、蓝3种彼此独立的基色匹配而成。但在匹配某种颜色时，不是将3种颜色叠加起来，而是从2种颜色叠加的结果中减去第
16、3种颜色。所以，国际照明协会决定选取一组三基色参数x、y、z，称作（x、y、z系统）。任何一种颜色Q在这种系统中表示为： Q= ax+by+cz 这3个系数的相对值为： x= y= z= 称作色坐标。由于x+y+z=1，所以如果x、y确定了，z值也就定了，因此可以用一个平面图来表示各种颜色。 下图给出了这种颜色坐标图。其中，给出了各种颜色的位置，周围曲线上的坐标相当于单色光。这样任何一种颜色均可用坐标x、y来表征。,4. 色坐标,颜色坐标图,常用的发光材料都是二元或者多元化合物。,-：ZnS、ZnO、（Cd，Zn）S、Zn（S，Se）等 紫外光、电子束、电场、X射线或带电粒子激发 -：GaAlP、GaAlAs、GaP： 发光二极管 GaN： 结型场致发光 碱卤化合物：NaI：Tl、CsI：Tl、LiI：Eu 用于闪烁体 氧化物： Y2O3：Eu 氟化物： MgF
