1、第六章 光电子材料与器件,光电工程学院微电子教研中心冯世娟,6.1 概述,光电子材料是指应用于光电子技术领域，具有光学和光电功能光电子材料特性的材料的总称。 19世纪70年代到1960年以前，光学与电子学仍是两门独立的学科。1960年，美国梅曼成功研制第一台激光器红宝石激光器，引起连锁反应。20世纪70年代，低损耗的光纤、半导体激光器的成熟、CCD问世，导致光信息技术蓬勃发展。20世纪90年代，光电子技术在通信领域和光存储方面取得了极大成功。21世纪是信息化的世纪，信息与信息交换的爆炸性增长对信息的采集、传输、处理、存储与显示提出了严峻的挑战。,6.1 概述,光源,传输,转运,探测,显示,非线
2、性光学效应：开关、调制、隔离、偏转、变频等光学功能器件,6.2 光纤,由于激光在大气中传播时，会受到雨、雪、灰尘和云雾等的吸收、散射而衰减。因此，需要一种设备引导光束的传播，使光束的能量在横截面上受限，并使损耗最小，这种设备称为介质光波导。光波导主要有三种：平板波导、矩形波导和光导纤维（光纤）。光纤通信已经无可争辩的成为现代通信最重要的主力军，成为信息高度公路的基石，在现代信息社会发挥着越来越大的作用。目前石英光纤在0.85m，1.3m，和1.55m波长时，衰减特性已接近理论上的极限值。,6.2 光纤,光导纤维经历了四个重要阶段短波多模光纤时代，0.85um，最低损耗为2.5dB/km，传输速
3、率为45Mbits/s；长波长多模光纤时代，1.31um，传输速率有很大提高 长波长单模光纤时代，1.31um，最低损耗为0.27dB/km，传输速率为600Mbits/s，无中继距离可以达到30km；高速光传输时代， 1.55um，最低损耗为0.16dB/km，传输速率达到1040Gbits/s 以上,6.2 光纤,光导纤维除了用于通信之外，还在电子光学、光学仪器、医疗器件、传感器等诸多方面获得应用比如光纤内镜，胃镜比如光纤耦合激光二极管便携式脑外伤检测仪 比如柔性激光手术刀 本节主要介绍光纤的结构与工作原理、种类、制备工艺及应用,6.2 光纤,1 光纤的结构,图6.1 光纤结构示意图,一般
4、可以分为三部分：纤芯、包层和涂覆层。纤芯是由高透明度的材料制成的，一般为玻璃，位于光纤中心部分，其折射率较高；包层位于纤芯外面，其折射率略低于纤芯；最外面的是涂覆层。在涂覆层往往还加有塑料外套。,光纤的基本结构一般是双层或多层的同心圆柱体。,6.2 光纤,2 光纤的工作原理,光在均匀的介质中沿直线传播，但传播速度依介质不同而不同。光密介质和光疏介质,6.2 光纤,2 光纤的工作原理,光纤由折射率较高的纤芯和折射率较低的包层组成。光束就是借助纤芯和包层之间多次全反射，而沿光纤传输的。,6.2 光纤,2 光纤的工作原理,其中c称为孔径角，当光纤端口的入射角小于该角时，光在光纤内满足全反射条件，即光
5、能在光纤内传输。,6.2 光纤,2 光纤的工作原理数值孔径是光纤可接收光辐射角度，表征光纤和光源、光检测器及其它光纤耦合时的耦合效率的重要参数，对连接损耗、弯曲损耗以及温度特定、带宽都有影响。NA越大，光纤接收光的能力越强。但NA太大，在光纤的模畸变越大 ，会影响光纤的带宽。所以在光纤通信中，NA不能太大。对于单模光纤，大约为0.30.6%；对于多模光纤，大约为12%。,6.2 光纤,包层为光的传输提供反射面和光隔离，并起到一定机械保护的作用。由纤芯和包层组成的光纤称为裸光纤，如果直接使用这种光纤，由于裸露在环境中，容易受到外界温度、压力、水汽等的侵蚀。为了增强裸光纤的柔韧性、机械强度和老化特
6、性，保护其不受水汽的侵蚀和机械擦伤，在包层外面增加了涂覆层。由于不同的导光要求，包层有的是单层，有的是多层。涂覆层一般分为一次涂覆层和二次涂覆层，二次涂覆层是在一次涂覆层的外面涂上热塑材料，又称套塑。光纤的套塑又分为紧套和松套两种。经过涂覆并经过检切合格的光纤称为缆芯。,2 光纤的工作原理,6.2 光纤,3 光纤的种类,6.2 光纤,3 光纤的种类按照折射率分布,图6.2 光纤的种类及折射率分布,阶跃型多模光纤和单模光纤的折射率分布都是突变的，纤芯折射率分布均匀，而且具有恒定值n1，而包层折射率则为小于n1的常数n2。二者的区别仅在于，后者的芯径和折射率差都比前者小。,梯度型光纤的纤芯折射率是
7、随着半径的增大而逐渐减小，而包层的折射率分布则是均匀的。,6.2 光纤,3 光纤的种类按照材料分1) 石英玻璃光纤 2) 多组分玻璃光纤 3) 塑料光纤 4) 红外光纤,石英光纤的纤芯和包层都由高纯度的SiO2掺有适当的杂质制成。这种光纤的损耗低，强度和可靠性较高，应用最为广泛。,多组分玻璃光纤的主要成分为SiO2，约占百分之几十，此外还有其它玻璃形成体及改性剂。其特点是熔点低，适于制作大芯径、大数值孔径光纤。因其损耗较大，通信上极少采用。但此类光纤易做到大的数值孔径，与光源或检测器的耦合效率高，可用于对损耗要求不太苛刻的传感器等领域。,纤芯、包层均由高分子聚合物材料构成。优点是柔韧、制造简单
8、、芯径和数值孔径较易做大(可分别达到0.81.0mm和0.40.6mm)、耦合容易；缺点是损耗较大。因此适于短距离小容量通信系统应用。,非硅基质的玻璃材料，加重金属氧化物玻璃等红外材料构成。光学损耗本约为石英玻璃的十分之一至千分之一，可实现几千甚至上万公里无中继通信。,6.2 光纤,4 光纤的制备 主要包括原料的制备与提纯、预制棒或晶锭的制作与拉丝,拉丝即从制得的预制棒拉出一定直径细丝的过程，其中关键是要保持芯包比和折射率分布不变。,通过改变光纤拉丝速度控制光纤外径。光纤在进行保护塑料涂覆前，应有足够的冷却时间，且涂覆应保证涂层和光纤的同心度。,6.2 光纤,4 光纤的制备气相沉积技术非气相沉
9、积技术直接熔融法 界面凝胶法 浇铸法 挤出法,气相和非气相两大类别主要是根据预制棒的工艺差别划分的，即前者靠气相沉积技术制备预制棒，而后者则采用非气相沉积技术制作预制棒、晶锭或在熔融态下直接拉丝。,沉积是在一个基靶表面上或在一根空心石英玻璃管内,6.2 光纤,5 光纤的应用传输光纤,光纤由纤芯和包层构成，纤芯的折射率nl高于包层的折射率n2，光入射到光纤后，将在纤芯与包层之间形成全反射，最终沿光纤的轴向传播，如图6.5所示。,图6.3 光纤中的子午线,6.2 光纤,5 光纤的应用传输光纤 传输光纤主要用于光通信，对光纤性能有两个方面的要求： 损耗低，色散小。,但这个差值也不能太大，光纤通信用的
10、多模光纤，相对折射率差,光纤纤芯的折射率n1和包层的折射率n2的差值，决定了临界角的大小。差值越大，临界角越小，越容易实现全反射。,6.2 光纤,传输光纤 传输损耗特性,光纤的损耗特性以每公里对信号的衰减来描述，单位为Db/km。光纤损耗的大小，不仅标志着光纤制作技术的水平，而且也决定光纤通信中继距离的长短。,6.2 光纤,传输损耗特性 材料固有吸收 紫外吸收损耗 0.81.6m 的强烈吸收红外吸收损耗 9m强烈损耗，可忽略原子缺陷吸收 选用石英玻璃光纤激励影响最小杂质吸收 金属离子的吸收损耗 杂质含量已经在10-8以下，不显著OH-的吸收损耗2.73m、1.38um、0.95um 对1.39
11、m、1.24m和0.95m 影响比较大,6.2 光纤,传输损耗特性,图6.4 光纤的总损耗谱,正是这些吸收峰之间的低损耗区域形成了光纤通信的三个低损耗窗口（0.85m，1.31m，1.55m）。氢氧根离子吸收损耗谱是光纤损耗谱曲线的主要组成部分。,0.95um,1.24um,1.39um,0.85um,1.31um,1.55um,6.2 光纤,传输损耗特性 瑞利散射损耗 由于光纤材料石英玻璃的密度不均匀和折射率不均匀引起 波导效应散射损耗 由于波导结构不规则，从而导致高阶模的辐射形成损耗 非线性效应散射损耗 主要由受激的喇曼散射和布里渊散射引起，且只在强入射光功率激励下才表现出来,6.2 光纤
12、,传输损耗特性 其他损耗如纤芯直径大小的变化引起的损耗；光纤弯曲以及光纤的对接引起的损耗等。,6.2 光纤,传输光纤 光纤色散特性 光纤的色散是由于光纤所传信号的不同频率成分或不同模式成分的群速度不同而引起传输信号畸变的一种物理现象。由于脉冲展宽，在光通讯中，为了不造成误码，必须降低脉冲速率，这就将降低光纤通讯的信息容量和品质。而在光纤传感方面，在需要考虑信号传输的失真度问题时，光纤的色散也成为一个重要参数。脉冲展宽：当一个光脉冲通过光纤时，由于光的色散特性，在输出端光脉冲响应被拉长的现象。,6.2 光纤,光纤色散特性材料色散由于折射率是随波长变化的，而光波都具有一定的波谱宽度，因而产生传播时
13、延差，引起脉冲展宽。模式色散在阶跃光纤中，入射角不同的光波在光纤内走过的路径长短不同，在临界角上传输的光路最长，沿光纤轴线传输的光路最短，由此引起时延差而产生的模式色散。波导色散波导色散是由光纤的几何结构决定的色散，它是由某一波导模式的传播常数随光信号角频率变化而引起的，也称结构色散。,一般情况下：模式色散材料色散波导色散,6.2 光纤,光纤色散特性光纤的总色散由上述三种色散之和决定。在多模光纤中，主要是模式色散和材料色散，当折射率分布完全是理想状态时，模式色散影响减弱，这时材料色散占主导地位。在单模光纤中，主要是材料色散和波导色散。由于没有模式色散，所以其带宽很宽。光纤的色散特性还可以用光纤
14、的带宽来表示。如把一般光纤看成一段线性网络，带宽表示它的频域特性，时延差代表它的时域特性，利用付氏变换就可以求出光纤带宽和时延差的关系。,6.2 光纤,5 光纤的应用传感光纤,光纤不仅可以作为光波的传输媒质，而且光波在光纤中传播时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会受到外界因素(如温度、压力、磁场、电场、位移、转动等)的作用而间接或直接地发生变化，从而可将光纤用做敏感元件来探测各种物理量。这就是光纤传感器的基本原理。,分为传感型与传光型两大型,6.2 光纤,5 光纤的应用与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点(1) 抗电磁干扰，电绝缘，耐腐蚀，安全可靠 (2) 重量轻，体积小
15、，外形可变 (3) 灵敏度高 (4) 对被测介质影响小，测量对象广泛 (5)便于复用、便于成网 (6) 成本低廉,6.3 激光器及材料,1 固体激光器的工作原理,图6.5 固体激光器的基本结构,固体激光器是研究最早的一类激光器，它以固体作为工作物质，包括绝缘晶体和玻璃两大类。工作物质是在基质材料中掺入激活离子(金属离子或稀土离子)而制成。,固体激光器的构成通常包括工作物质、谐振腔、泵浦光源这三个基本组成部分。,6.3 激光器及材料,1 固体激光器的工作原理,使入射光得到放大，是核心,供给工作物质能量,光抽运,激光束,工作介质,泵浦源,6.3 激光器及材料,1 固体激光器的工作原理,光抽运可以将
16、粒子从低能级抽运到高能级。在二能级系统中，由于发生受激吸收和受激辐射的几率是相同的（B12=B21），最终只有达到两个能级的粒子数相等而使系统趋向稳定。,6.3 激光器及材料,1 固体激光器的工作原理,6.3 激光器及材料,1 固体激光器的工作原理三能级系统原理,E1为基态，E2、E3 为激发态，中间能级E2为亚稳态。在泵浦作用下，基态E1的粒子被抽运到激发态E3上，E1上的粒子数N1随之减少。但由于E3能级的寿命很短，粒子通过碰撞很快地以无辐射跃迁的方式转移到亚稳态E2上。由于E2态寿命长，其上就累积了大量的粒子，即N2大于N1，于是实现了亚稳态E2与基态E1间的粒子数反转分布。,6.3 激
17、光器及材料,1 固体激光器的工作原理四能级系统原理,三能级激光器的效率不高，原因是抽运前几乎全部粒子都处于基态，只有激励源很强而且抽运很快，才可使N2 N1，实现粒子数反转。四能级系统是使系统在两个激发态E2、E1之间实现粒子数反转。因为这时低能级E1不是基态而是激发态，其上的粒子数本来就极少，所以只要亚稳态E2上的粒子数稍有积累，就容易达到N2N1，实现粒子数反转分布，在能级E2、E1之间产生激光。于是，E3上的粒子数向E2跃迁， E1上的粒子数向E0过渡，整个过程容易形成连续反转，因而四能级系统比三能级系统的效率高。,6.3 激光器及材料,1 固体激光器的工作原理有了工作物质和谐振腔还不一
18、定能输出激光，因为：工作物质使光得到增益，光强变大； 光在端面上的反射、透射等，会产生光能损耗，使光能变小。若光的增益小于其损耗，就没有激光输出。因此，必须使增益大于损耗，光在谐振腔内来回反射时，其光强才能不断增大，最后才有稳定的激光输出。,6.3 激光器及材料,1 固体激光器的工作原理综上所述，实现激光振荡的必要条件形成粒子数分布反转使受激辐射占优势具有谐振腔实现光量子放大至少达到阈值电流密度光增益 光损耗,6.3 激光器及材料,2 固体激光器基质材料 激光器由工作物质（基质和激活离子）、激发源（泵浦）和共振腔组成。工作物质就是指借组外来能源激励实现粒子数反转并产生受激辐射放大作用的物质系统
19、激光材料。激光器材料包括固体（晶体、玻璃）、气体（原子、分子、离子）、液体和半导体。激活离子主要有过渡金属离子、稀土离子、色心三类。,6.3 激光器及材料,2 固体激光器基质材料固体基质材料的基本要求 材料具有强的荧光辐射、高的量子效率、适当的荧光寿命和受激发射截面。这是获得较小光泵阈值能量和尽可能大的激光能量输出的需要。 材料应具有优良的静态光学均匀性，以保证激光的方向性和激光效率。 要求激光材料的热膨胀系数小、强度高、热导率高、光照稳定性和化学稳定性要好，以使激光器工作稳定可靠。 激光材料还应易于制备加工，能制很大尺寸光学均匀的样品。,6.3 激光器及材料,2 固体激光器基质材料 主要分为
20、晶体和玻璃两类玻璃：大尺寸，光学质量好，但受激发射截面小，激发阈值高，热导率小造成光学畸变晶体：热导率、窄线宽等优于玻璃，但很难获得高的光学质量和掺杂均匀性,6.3 激光器及材料,2 固体激光器基质材料 激光基质晶体氧化物红宝石晶体钕-钇铝石榴石（Nd：YAG）磷酸盐和硅酸盐钨酸盐、钼酸盐、钒酸盐和铍酸盐掺铬铝酸铍（Cr：BeAl2O4）氟化物,物理化学性能稳定，导热性好，抗压强，对泵浦光源的吸收特性好，在室温下可获得0.69um的可见激光；属于三能级体系，激光阈值高。,荧光寿命短、荧光谱线窄，属于四能级体系，阈值低，增益系数大，适合重复脉冲运转，输出功率较大。,输出波长连续可调,6.3 激光
21、器及材料,2 固体激光器基质材料 激光玻璃激光玻璃和激光晶体的区别 激活离子所受配位场的作用与晶体中的作用不一样 。玻璃基质对激活离子的影响比晶体对激活离子的影响大得多。 激光玻璃的热学性能比激光晶体的差。 玻璃是各向同性的，加工性能良好，能更均匀地掺入高浓度激活离子。,6.3 激光器及材料,2 固体激光器基质材料 激光玻璃,6.3 激光器及材料,3 固体激光器的激活离子 过渡族金属激活离子 三价稀土激活离子 二价稀土激活离子 锕系激活离子,激光器的输出波长主要取决于激活离子内部的能级结构，但也随基质晶体、掺杂浓度和工作温度的不同而有所变化。,在这类金属离子中，3d壳层的电子由于没有外层电子的
22、屏蔽，而直接受基质晶体晶格场和外界场的影响。,15种镧系元素，以及钪（Sc）和钇（Y），都是4能级系统,Sm2+、Er2+、Tm2+、Dy2+和Eu2+等,目前只有U3+有所应用,与别的元素化合时，通常失去最外层的s电子和次外层的一个d电子,4f壳层比三价离子多一个电子，从而降低了5d电子的能量，因此对应于4f5d跃迁吸收带均处于可见区域内，这样的吸收带对于选择泵浦光源非常有利。但不稳定。,6.3 激光器及材料,4 几种常见的固体激光器 红宝石激光器,图6.7 红宝石中Cr3+能级图,A12O3:Cr3+,激发波长0.6943m,6.3 激光器及材料,4 几种常见的固体激光器 Nd3+:YAG
23、激光器,图6.8 Nd3+:YAG能级图,YAG是迄今使用最为广泛的激光晶体,理想的四能级激光器，室温下有3条荧光谱线，以1.0641m最强,1.06m (4F3/24I11/2) 63%1.319m (4F3/24I13/3) 12%0.946m (4F3/24I9/2) 24%,6.3 激光器及材料,4 几种常见的固体激光器半导体激光泵浦的固体激光器,半导体激光二极管(LD)或二极管阵列(LDA)泵浦固体激光器(缩写为DPL或LDPSSL)，是让LD(或LDA)的输出激光作为泵浦源。,目前LD巳成功地泵浦了Nd3+:YAG、Nd3+:YLF、Nd3+:YVO、Nd3+:YALO3和钕玻璃。
24、,6.3 激光器及材料,5 应用,激光测距激光加工激光医疗激光受控热核聚变,防伪标签上的Nokia握手标志,6.4 液晶显示材料与器件,显示技术是多学科交叉综合技术 是信息时代重要的标志之一。1897年，德国的布朗发明了阴极射线管（CRT）（Cathode Ray Tube）的雏形。百余年来，CRT一直占据了光电显示的主导地位，如今其技术已极其成熟。阴极射线管做作为一种传统的信息显示器件，它显示质量优良，制作和驱动比较简单，有很好的性能价格比。随着CRT应用的延伸，人们已不满足于CRT现状，期望一种显示质量如同CRT，而又具有体积小，重量轻，工作电压低，功耗小的新产品。,6.4 液晶显示材料与
25、器件,CRT的缺点：从大屏幕显示方面来讲，100cm以上的CRT质量要超过100kg，体积大，搬动困难，不能适应现代家庭对高清晰度电视（HDTV）和现代战争对大屏幕显示器的要求。在这种情况下平板显示技术应运面生，而且获得了迅速发展。平板显示在国际上尚没有严格的定义，一般是指显示器的厚度小于显示屏幕对角线尺寸四分之一的显示技术。这种显示器厚度较薄，看上去就像一块平板，平板显示因此而得名。,液晶LCD平板显示器,等离子体PDP平板显示器,6.4 液晶显示材料与器件,光电显示材料的分类发光模式光电显示材料阴极射线发光显示电致发光闪烁晶体发光光致发光非发光模式光电显示材料液晶显示电致变色显示电泳成像显
26、示,6.4 液晶显示材料与器件,目前国内市场上的平板电视，仅限于液晶电视和等离子电视两种。 液晶电视分为CCFL背光液晶电视和LED背光液晶电视。 所谓CCFL，即冷阴极荧光灯管，是现阶段最为成熟的背光源。但随着全球环保呼声的提高，欧盟作出决定，严格限制含有铅、镉、汞、铬、多溴联苯和多溴联苯醚等物质的产品上市销售。而汞是CCFL灯管和其它类型荧光照明的主要成份。于是CCFL背光液晶电视电视遇到了政策瓶颈。 随着LED技术的不断提高，其发光色纯度越来越高、发光亮度越来越大、制造成本越来越低，更重要的是在其中不含欧盟限制的各种有害环境的物质。于是在液晶电视中，开始使用LED取代各种冷光灯管。这就是
27、市场上开始出现LED液晶电视的原因。,6.4 液晶显示材料与器件,液晶显示技术对显示显像产品结构产生了深刻影响，促进了微电子技术和光电信息技术的发展。,6.4 液晶显示材料与器件,1 液晶材料的物理性质液晶的发现可追溯到19世纪末，1888年奥地利的植物学家FReinitzer在作加热胆甾醇的苯甲酸脂实验时发现，当加热使温度升高到一定程度后，结晶的固体开始溶解。但溶化后不是透明的液体，而是一种呈混浊态的粘稠液体，并发出多彩而美丽的珍珠光泽。当再进一步升温后，才变成透明的液体。他把这种粘稠而混浊的液体放到偏光显微镜下观察，发现这种液体具有双折射性。于是德国物理学家DLeimann将其命名为“液晶
28、”，简称为“LC”。在这以后用它制成的液晶显示器件被称为LCD。,液晶实际上是物质的一种形态，也有人称其为物质的第四态。,6.4 液晶显示材料与器件,1 液晶材料的物理性质液晶的介电各向异性,液晶介电各向异性是决定液晶分子在电场中行为的主要参数,液晶分子在电场中的取向行为取决于液晶材料的介电各向异性值，当为正值时，液晶分子沿电场方向取向；当为负值时，液晶分子在电场中垂直于电场取向。所以，不同的显示途径，可选用不同的液晶材料。,6.4 液晶显示材料与器件,1 液晶材料的物理性质液晶的电导各向异性,液晶电导各向异性可以用/来描述,向列相液晶，/1，这反映了在向列相液晶中沿分子轴方向的运动比垂直于分
29、子轴力向的运动要容易得多；近晶相液晶，离子运动在分子层间隙比较容易，所以/1。,6.4 液晶显示材料与器件,1 液晶材料的物理性质液晶的黏度,向列相液晶的黏度与活化能、温度有关,黏滞系数对液晶的应用有着很大的影响。向列相液晶的最大缺点是响应加速度不够快。响应时间与液晶的黏滞系数有直接的关系，黏度小，响应快。一般说来，分子长、胖及重的黏度就大。由于温度对分子运动速度影响很大，因而温度对黏度影响最大。通常，温度每增加10，黏度就降低一半。,6.4 液晶显示材料与器件,1 液晶材料的物理性质液晶的光电效应液晶的光电效应是指液晶在外电场作用下的分子的排列状态发生变化，从而引起液晶的光学性质也随之变化的
30、一种光调制现象。因为液晶具有介电各向异性和电导各向异性，因此外加电场能使液晶分子排列发生变化、进行光调制，同时由于双折射性，可以显示出旋光性、光干涉和光散射等特殊的光学性质。液晶显示器件就是利用液晶的这一特性设计的。,6.4 液晶显示材料与器件,液晶的光电效应1)电场中液晶分子的取向,介电各向异性,当电场与指向矢平行时的液晶介电常数,当电场与指向矢垂直时的液晶介电常数,称为P型液晶，它具有正的介电各向异性,称为N型液晶，它具有负的介电各向异性,目前的液晶显示器件主要使用P型液晶。,在外电场作用下，P型液晶分子长轴方向平行于外电场方向，N型液晶分子长轴方向垂直于外电场方向。,6.4 液晶显示材料
31、与器件,液晶的光电效应2)线偏振光在向列液晶中的传播,折射率的各向异性,显示用的向列液晶一般呈正单轴晶体光学性质，它可以使入射光的偏振状态和方向发生改变。,沿着P型向列液晶长轴方向振动的光波有最大的折射率n，而对于垂直这个方向振动的光波有最小的折射率n。,图6.9 线偏振光在向列液晶中的传播,6.4 液晶显示材料与器件,液晶的光电效应2)线偏振光在向列液晶中的传播,合成光场矢端方程,两光场位相差,当=0（或/2时），Ey=0（或Ex=0）。即偏振光的振动方向和状态没有改变，仍以线偏振光和原方向前进。,随着光线沿z方向前进，偏振光相继成为椭圆、圆和线偏振光。同时改变了线偏振光的方向。,当=/4时
32、,6.4 液晶显示材料与器件,液晶的光电效应3)线偏振光在扭曲向列相液晶中的传播,图6.10 线偏振光在扭曲向列液晶中的传播,液晶分子在两片坡璃之间呈90扭曲,当线偏振光垂直入射时，若偏振方向与上表面分子取向相同，则线偏振光偏振方向将随着分子轴旋转，并以平行于出口处分子轴的偏振方向射出；若入射偏振光的偏振方向与上表面分子取向垂直，则以垂直于出口处分子轴的偏振方向射出；当以其他方向的线偏振光入射时，则根据平行分量和垂直分量的值相差的值，以椭圆、圆或直线等某种偏振光形式射出。,6.4 液晶显示材料与器件,2 液晶的分类及结构特点液晶的分类按分子量大小，可分为低分子液晶与高分子液晶。 按形成条件和组
33、成，可分为热致液晶和溶致液晶。热致液晶由温度引起，并且在一定温度范围内存在，一般是单一组分或均匀混合物。在化合物熔点以上的温度下稳定存在的热致液晶称为互变液晶。一般用于显示。溶致液晶是由浓度引起的，在一定浓度范围内存在，一般是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成的混合物。 从分子排列有序性来分，可分为向列相、近晶相、胆甾相。,6.4 液晶显示材料与器件,2 液晶的分类及结构特点液晶的结构特点1)向列相液晶,向列相液晶由长径比很大的棒状分子组成，保持与轴向平行的排列状态。因为分子的重心杂乱无序，并容易顺着长轴方向自由移动，所以像液体一样富于流动性。正由于向列型液晶分子的这种一致排列，使得它的光学
34、特性很像单轴晶体，呈正的双折射性。对外界的电、磁、温度、应力都比较敏感，是显示器件上广泛使用的材料。,6.4 液晶显示材料与器件,2 液晶的分类及结构特点液晶的结构特点2) 近晶相液晶,近晶相液晶按层状排列，由棒状或条状分子呈二维有序排列组成。层内分子长轴相互平行，其方向可以垂直于层面或与层面成倾斜排列。层与层之间的作用较弱，容易滑动，因此具有二维的流动特性。近晶相液晶的粘度与表面张力都较大，用手摸有似肥皂的滑涩感，对外界的电、磁、温度变化都不敏感。这种液晶光学上显示正的双折射性。,6.4 液晶显示材料与器件,2 液晶的分类及结构特点液晶的结构特点3)胆甾相液晶,胆甾型液晶和近晶型一样具有层状
35、结构，但层内分子排列则与向列型液晶类似，分子长轴在层内是相互平行的，而在垂直这个平面上，每层分子都会旋转一个角度。液晶整体呈螺旋结构。螺距的长度是可见光波长的数量级。由于胆甾型液晶的分子排列旋转方向可以是左旋，也可以是右旋，当螺距与某一波长接近时，会引起这个波长光的布拉格散射，呈某一种色彩。胆甾型液晶具有负的双折射性质。一定强度的电场、磁场也可使胆甾相液晶转变为向列相液晶。胆甾相液晶易受外力的影响，特别对温度敏感，由于温度主要引起螺距的改变，因此胆甾相液晶随温度改变颜色。,6.4 液晶显示材料与器件,2 液晶的分类及结构特点形成液晶的条件 1)液晶分子的几何形状应是各向异性的，分子的长径比(L
36、/D)必须大于4。2)液晶分子长轴应不易弯曲，要有一定的刚性。因而常在分子的中央部分引进双键或叁键，形成共轭体系，以得到刚性的线型结构或使分子保持反式构型，以获得线状结构。3)分子末端含有极性或可极化的基团。通过分子间电性力、色散力的作用，使分子保持取向有序。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件由于液晶具有单轴晶体的光学各向异性，所以具有以下光学特性：能使入射光沿液晶分子偶极矩的方向偏转；使入射的偏光状态，及偏光轴方向发生变化；使入射的左旋及右旋偏光产生对应的透过或反射。液晶器件基本就是根据这三种光学特设计制造的。液晶材料在施加电场（电流）时，其光学性质会发生变化，这种效应称为液
37、晶的电光效应。其本质都是液晶分子在电场作用下改变其分子排列或造成分子变形的结果。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件,常用液晶显示器件的分类,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件扭曲向列（TN）型液晶显示器件,TN型液晶显示器件是最常见的一种液晶显示器件。常见的手表、数字仪表、电子钟及大部分计算器所用的液晶显示器件都是TN型器件。,TN型液晶显示是液晶显示器件中最基本的，而之后其他种类的液晶显示器件是在TN型的基础进行改良的。,图6.12 典型TN液晶显示器件结构示意图,6.4 液晶显示材料与器件,扭曲向列（TN）型液晶显示器件 1）工作原理,图6.13 典型TN液晶
38、显示器件显示原理,当入射光通过偏振片后成为线偏振光，在无电场作用时，由线偏光经过扭曲向列液晶的旋光特性决定，在出射处，检偏片与起偏片相互垂直，旋转了90的偏振光可以通过。因此呈透光态。在有电场作用时，当电场大于阈值场强后，液晶盒内液晶分子长轴都将沿电场方向排列，即与表面呈垂直排列，此时入射的线偏振光不能得到旋转，因而在出射处不能通过检偏片，呈暗态。,6.4 液晶显示材料与器件,扭曲向列（TN）型液晶显示器件 1）工作原理,图6.18 TN-LCD的电光特性,该模式实现了白底上的黑字显示，称为正显示。同样，加果将起偏振片和检偏振片的偏振轴相互平行粘贴，则可实现黑底白字显示，称为负显示。,阈值电压
39、Vth,饱和电压Vsat,陡度,值决定器件的多路驱动能力和灰度性能。陡度越大，多路驱动能力越强，但灰度性能下降，反之亦然。,6.4 液晶显示材料与器件,扭曲向列（TN）型液晶显示器件 2）TN-LCD的电光效应,图6.19 TN-LCD的响应速度,液晶的电光响应通常滞后几十毫秒，透光率并不和外电压同时增加，而要经过几个脉冲序列后才开始增加，并在经历一定序列脉冲后，达到最大值。停止施加外电压后，透光率也不是立即下降到零而是经过一定时间才达到较小值。,目前普通TN-LCD的响应时间在80ms左右。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件超扭曲向列(STN)液晶显示器件,第三代液晶显示器件
40、。顾名思义，“超扭曲”即扭曲角大于90。 TN型液晶显示器件缺点：电光响应前沿不够陡峭反应速度慢阈值效应不明显使得大量显示和视频显示等受到了限制 单纯的TN型液晶显示器本身只有明暗两种变化，而STN型液晶则以淡绿色和橘色为主。但如果在传统单色STN型液晶显示器中加上一彩色滤光片，并将单色显示矩阵中的每一像素分成三个子像素，分别通过彩色滤光片显示红、绿、蓝三原色，就可以显示出色彩了。,6.4 液晶显示材料与器件,超扭曲向列(STN)液晶显示器件,图6.16 STN型液晶显示器件原理图,STN模式的液晶显示器基本和TN模式是一样的，只不过盒中液晶分子排列不是沿着90扭曲排列，而是180360扭曲排
41、列。,6.4 液晶显示材料与器件,超扭曲向列(STN)液晶显示器件曲线斜率的提高可以允许多路驱动，且可获得敏锐的锐度和宽的视角。 由于STN-LCD具有扫描线多、视角较宽、对比度好等特点，很快在大信息容量显示的膝上型、笔记本型、掌上型微机及中英文打字机、图形处理机、电子翻译机及其它办公和通信设备（手机）中获得广泛应用，并成为90年代的主流产品。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件薄膜晶体管(TFT)型液晶显示器件,由于TN型和STN型液晶的显示原理所限，如果它的显示部分越做越大，那么中心部分的电极反应时间可能就会比较长。但是对于像笔记本电脑这种需要大屏幕液晶显示器的设备来说，液晶
42、反应时间太慢就会严重影响显示效果，因此，TFT型液晶技术引起了人们的注意。,TFT型液晶显示技术采用了“主动式矩阵”的方式来驱动。方法是利用薄膜技术所做成的电晶体电极，利用扫描的方法“主动地”控制任意一个显示点的亮与暗。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件薄膜晶体管(TFT)型液晶显示器件,TFT型液晶显示器件为每个像素都设有一个半导体开关，其加工工艺类似于大规模集成电路。,TFT型和TN型液晶的显示原理类似。但不同的是场效应晶体管具有电容效应，已经透光的液晶分子会一直保持这种状态，直到场效应晶体管(FET)电极下一次再加电以改变其排列方式为止。而TN型液晶就没有这个特性，液晶分
43、子一旦没有加以电场，立刻就返回原来的状态；这是TFT型液晶和TN型液晶显示原理的最大不同。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件动态散射(DS)型液晶显示器件,DS-LCD是唯一电流型液晶显示器件，而且是最早的实用化的液晶显示器件。,在不通电的情况下，液晶呈透明状态。,当通过低频交流电时，当电压超过阈值电压Vth时，在液晶层内形成一种因离子运动而产生的“威廉畴”，继续增加电压，最终会使液晶层内形成紊流和搅动，并对光产生强烈的散射。,DS液晶显示器件是无偏振片结构，电流较大，一般在背面衬以黑色衬底。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件宾主(GH)型液晶显示器件,图6.1
44、8 GH型液晶显示器件原理图,若此时施加一定的电压，液晶分子变为沿电场方向呈垂直排列的状态，此时，观察者看到的是吸光较少的长轴方向，因而色彩很淡，浓淡对比，形成显示。,基本原理是在液晶层中掺进一定量的二色性染料。由于二色性染料（如蒽醌类染料）在分子的长轴方向和短轴方向对光的吸收不一样，二色性染料混在液晶中，会“宾随主变”的与液晶分子呈同向有序排列，观察者看到的是吸光较多的短轴方向，因而色彩较重。,6.4 液晶显示材料与器件,3 常用液晶显示器件液晶显示的优点：驱动电压低能耗小对比度和分辨率好缺点：响应速度慢工作温度范围比较窄需要辅助光源,6.4 液晶显示材料与器件,4 显示技术的发展趋势 不同显示方式对液晶材料的要求不同调制满足不同显示方式要求的混合液晶相转变温度、介电常数、弹性常数、双折射、黏度改进工艺、提高生产率、降低成本合成新型液晶材料，完善性能低阈值电压、快响应速度、大视角,6.4 液晶显示材料与器件,4 显示技术的发展趋势 有机发光二极管（OLED）显示器已成为当今超薄、大面积平板显示器件研究的主要方向。,图6.23 OLED的基本结构,分为无源矩阵OLED和有源矩阵OLED,6.4 液晶显示材料与器件,4 显示技术的发展趋势 有源矩阵OLED,OLED 特点：(l) 工作电压低 (2) 亮度高 (3) 全色彩化 (4) 制作工艺简单,
