半导体白光照明材料与器件 半导体照明新光源的优点： 耗电低： 仅为白炽灯的1/10 寿命长： 为白炽灯的100倍 无环境污染： 无汞色彩更接近 自然光 基质材料： Alq3 (8-羟基喹啉的Al配合物) 2) 有机电致发光材料 (OEL：Organic EL) OEL优点： 工作电压低、反应时间短、发光效率高、易于实现全色显示、轻便、柔性强、易加工、成本低 OEL工作原理：发光层内载流子(电子和空穴)结合产生单态激子，最后单态激子辐射衰减导致发光 OEL缺点：发射光的纯度较差 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 (2) 发光二极管 (LED：Light Emitting Diode) 1) 材料特性和发光机理 对于可见光区的发光，要求 Eg?1.8eV，同时具备： I. 导电性容易控制 II. 对发射光的透明性好 III. 发光跃迁几率高 2) 液相外延(LPE)薄膜生长法 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 3) GaN系蓝光LED GaN特点：宽直接带隙(Eg=3.4eV) 高热导率 强抗辐射能力 GaN薄膜制备方法：MOCVD GaN系LED前景：高亮度全色显示 半导体照明 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 PDP工作原理：惰性气体辉光放电时发出的紫外线辐照到三基色荧光粉上，使其发出三基色光，经混合后得到所需光的颜色 3. 等离子体显示材料(PDP) PDP特征：放电气体主要是 Xe 像素尺寸非常小 用混色法表现彩色 电极间隔很小 可当作微小荧光灯排列而成 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 基板材料： PDP由两块玻璃基板夹着惰性气体和三基色荧光粉构成。要求基板材料： I. 耐600oC高温 II. 绝缘性好 II. 机械强度高 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 一般 小 栅极 热 小 20－100V VFD 高 小 冷 小 300－8kV FED 高 大 热 大 15－30kV CRT 亮度 体积 其它控制 阴极种类 功耗 工作电压 电子束激发材料 1*.电子束激发材料 (粉末) CRT(能带与原子模型) FED (能带与原子模型) VFD (能带与原子模型) 高电场激发 2*. 电场激发 显示材料 3. 等离子体显示材料 惰性气体辉光放电 紫外线 荧光粉发光 低电场激发 (p-n结电荷注入 能带模型) (有电流，外延薄膜) 无机材料 (无电流) 有机材料:Alq3(能带模型) (有电流，薄膜) 粉末 (能带模型) 薄膜 (原子模型) §11 光电显示材料(1) 11.1 光电显示材料的物理基础 §11 光电显示材料(1) 11.1 光电显示材料的物理基础 §11 光电显示材料(1) 11.2 光电显示材料和器件的基本特性 11.2 光电显示材料和器件的基本特性 1. 显示材料特性 2. 光电显示的分类 3. 显示全器件的基本特征 1. 显示材料特性 显示材料是指把电信号转换成可见光信号的材料 (1) 发光显示材料 利用光发射直接进行显示 1) 电子束激发材料，包括阴极射线发光材料，真空荧光材料，场发射显示材料等 2) 光激发材料，包括等离子体显示材料，荧光灯材料等 3) 电场激发材料，包括电致发光材料，发光二极管材料等 §11 光电显示材料(1) 11.2 光电显示材料和器件的基本特性 (1) 受光显示材料: 利用电场作用下材料的光学性能的变化实现显示，通过反射、散射、干涉等现象，对其它光源所发出的光进行控制，即通过光交换进行显示。 1) 改变入射光的偏振状态 2) 选择性光吸收 3) 改变光散射态 4) 产生光干涉 §11 光电显示材料(1) 11.2 光电显示材料和器件的基本特性 2. 光电显示的分类 共分为投影式、直视式和虚拟式三类 (1) 亮度: 指显示器件的发光强度 单位是 cd?m-2 3. 显示器件的基本特征 (2) 发光效率: 指显示器件辐射出单位能量所发出的光通量，单位为lm?W-1 (3) 对比度: 显示部分的亮度和非显示部分的亮度之比 (4) 分辨率: 像元密度和器件包含的像元总数 §11 光电显示材料(1) 11.2 光电显示材料和器件的基本特性 §11 光电显示材料(1) 11.2 光电显示材料和器件的基本特性 (5) 灰度 指屏上亮度的等级 (7) 寿命和稳定性 初始亮度衰减到其一半所需的时间称为半寿命 (8) 色彩 (9) 视角 (6) 响应时间和余晖时间 (10) 工作电压和功耗 §11 光电显示材料(1) 11.2 光电显示材料和器件的基本特性 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 11.3 发光显示材料 1*. 电子束激发材料 2*. 电场激发显示材料 3. 等离子体显示材料 指在电子束激发下发光的材料，又称阴极射线材料。主要用于电子束管、荧光显示屏的制作。共分三类： 1*. 电子束激发材料 (1) 阴极射线管 (CRT: Cathode Ray Tube) (2) 场致发射显示和相关发光材料 (FED: Field Emission Display) (3) 真空荧光显示 (VFD: Vacuum Fluorescence Display) §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 工作条件：高电压和低电压电子束轰击 制备：原料制备、提纯、配料、灼烧、后处理 原材料要求：有害杂质低于1?10-7 (1) 阴极射线管 (CRT: Cathode Ray Tube) 1) CRT 荧光粉：具有高的发光效率和各种各样的发射光谱，包括可见光、紫外光和红外光。 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 II. 激活剂：对特定的化合物起激活作用 杂质的分类： I. 猝灭剂：损害发光性能并使发光亮度降低的杂质 III. 共激活剂：与激活剂协同激活基质的杂质 IV. 敏化剂：有助于激活剂引起的发光，使发光亮度增加的杂质 V. 惰性杂质：对发光性能影响较小、对发光亮度和颜色不起直接作用的杂质 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 （纳米） 光谱色度坐标 x y z 390 0.1738 0.0049 0.8213 395 0.1736 0.0049 0.8215 400 0.1733 0.0048 0.8219 405 0.1730 0.0048 0.8222 410 0.1726 0.0048 0.8226 435 0.1669 0.0086 0.8245 440 0.1644 0.0109 0.8247 445 0.1611 0.0138 0.8251 450 0.1566 0.0177 0.8257 455 0.1510 0.0227 0.8263 510 0.0139 0.7502 0.2359 515 0.0389 0.8120 0.1491 520 0.0743 0.8338 0.0919 （纳米） 光谱色度坐标 x y z 520 0.0743 0.8338 0.0919 525 0.1142 0.8262 0.0596 530 0.1547 0.8059 0.0394 680 0.7334 0.2666 0.0000 685 0.7340 0.2660 0.0000 690 0.7344 0.2656 0.0000 695 0.7346 0.2654 0.0000 700 0.7347 0.2653 0.0000 705 0.7347 0.2653 0.0000 710 0.7347 0.2653 0.0000 715 0.7347 0.2653 0.0000 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 The simple color addition scheme for electric displays. Examples Include R+G+B=W, R+G=Y, and B+G=C, where Red (R), Blue (B), Green (G), Yellow (Y), Cyan (C), Magenta (M), and White (W). Color Addition 青綠色 紫紅色 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 2) 发光效率 阴极射线发光的能量效率?为整个发光过程各阶段效率的乘积 ?---背散射因子 h?---发射光子的平均能量 E---形成电子－空穴对的平均能量 Q---发光中心内部辐射跃迁的量子效率 S---由热电子－空穴对到发光中心的能量转换的量子效率 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 3) CRT工作原理 电子射线在真空管中加速和聚焦后照射到荧光体上使其发光，从而显示图像的器件。 发光：将处于低能量状态(基态)的电子激发到高能量状态，然后被激发的电子从高能态返回低能态，将这个能量差以光的形式释放出来。 阴极射线发光：荧光体内的电子受到加速电子的激发从而从低能态跃迁到高能态并伴随发光的现象 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 工作条件：300V－8kV 特点：耗电低、体积小、亮度高 微尖密度：106~109微尖cm-2 (2) 场致发射显示和相关发光材料 (FED: Field Emission Display) 发光机理：将强电场集中在阴极上面的圆锥形发射极上，通过电场使电子发射到真空中再打到荧光粉上。(冷阴极) 微尖材料：金刚石薄膜、硅单晶、金属钼等 发光粉：ZnO:Zn(蓝粉), ZnGa2O4:Mn (绿粉), Y2O2S:Eu(红粉) §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 工作条件：30V－100V 特点：电压低、栅极控制、彩色滤光片 应用：作为文字和数字显示的器件 (3) 真空荧光显示 (VFD: Vacuum Fluorescence Display) 发光机理：将低电场施加到热阴极上，并选择性施加电压于栅极和阳极，热电子轰击阳极的发光物质而使之发光。 发光粉：ZnO:Zn(宽频), §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 场致发光：在电极为透明导电玻璃的平板电容器中，放进几十微米厚的混有介质的发光粉，然后在两个电极之间加上约百伏的直流或交流电压，即可获得发光。 2*. 电场激发显示材料 (1) 电致发光材料 (EL: Electroluminescence) I. 高电场发光材料 II. 低电场结型发光 无机材料 有机材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 A. 粉末发光材料 基质材料： ZnS 激活剂：Cu 1) 无机电致发光材料 纯度要求： 杂质含量低于10-7 特点： 发光效率高、可覆盖可见光 共激活剂：Al、稀土元素、Cl、Br 发光机理：Cu取代Zn称为受主，与施主Al或Cl等一起组成发光中心 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 §11 光电显示材料(1) 11.3 发光显示材料 B. 薄膜发光材料 (FEL) 基质材料： 宽禁带II-VI族化合物 Zn2SiO4 和 ZnGa2O4 发光机理：绝缘层和发光层界面能级上俘获的电子在强电场的作用下，因隧道效应而进入发光体的导带内，经加速后碰撞发光中心原子，使其激发到高能态，该原子在回到基态时发出光来 器件结构：绝缘层与发光薄膜构成三明治 §11 光电显示材料(1)

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