- 目錄
第1篇 光電子行業(yè)調(diào)查報(bào)告
光電子材料向納米結(jié)構(gòu)、非均值、非線性和非平衡態(tài)發(fā)展。小編為大家收集整理的光電子行業(yè)調(diào)查報(bào)告，希望大家能夠喜歡。
20世紀(jì)微電子技術(shù)的發(fā)展，伴隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)字技術(shù)、多媒體技術(shù)以及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等的出現(xiàn)，使社會(huì)進(jìn)人了信息化時(shí)代。光電子技術(shù)是繼微電子技術(shù)之后30多年來迅猛發(fā)展起來的綜合性高新技術(shù)，以其強(qiáng)大的生命力推動(dòng)著光電子(光子)技術(shù)與產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，隨著70年代后期半導(dǎo)體激光器和硅基光導(dǎo)纖維兩大基礎(chǔ)元件在原理和制造工藝上的突破，光子技術(shù)和電子技術(shù)開始結(jié)合并形成了具有強(qiáng)大生命力的信息光電子技術(shù)和產(chǎn)業(yè)。至今光電子(光子)技術(shù)的應(yīng)用已涉及科技、經(jīng)濟(jì)、軍事和社會(huì)發(fā)展的各個(gè)領(lǐng)域，光電子產(chǎn)業(yè)必將成為本世紀(jì)的支柱產(chǎn)業(yè)之一。光電子技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展水平既是一個(gè)國(guó)家的科技實(shí)力的體現(xiàn)，更是一個(gè)國(guó)家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。
光電子材料是指能產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換、傳輸、處理、存儲(chǔ)光電子信號(hào)的材料。光電子器件是指能實(shí)現(xiàn)光輻射能量與信號(hào)之間轉(zhuǎn)換功能或光電信號(hào)傳輸、處理和存儲(chǔ)等功能的器件。光電子材料是隨著光電子技術(shù)的興起而發(fā)展起來的，光子運(yùn)動(dòng)速度高，容量大，不受電磁干擾，無電阻熱。
光電子材料向納米結(jié)構(gòu)、非均值、非線性和非平衡態(tài)發(fā)展。光電集成將是本世紀(jì)光電子技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要方向。光電子材料是發(fā)展光電信息技術(shù)的先導(dǎo)和基礎(chǔ)，材料尺度逐步低維化——由體材料向薄層、超薄層和納米結(jié)構(gòu)材料的方向發(fā)展，材料系統(tǒng)由均質(zhì)到非均質(zhì)、工作特性由線性向非線性，由平衡態(tài)向非平衡態(tài)發(fā)展是其最明顯的特征。
1、光電子材料按其功能，一般可分為以下7類：
(l)發(fā)光(包括激光)材料;
(2)光電顯示材料;
(3)光存儲(chǔ)材料;
(4)光電探測(cè)器材料;
(5)光學(xué)功能材料;
(6)光電轉(zhuǎn)換材料;
(7)光電集成材料。
其中，發(fā)展重點(diǎn)將主要集中在激光材料、紅外探測(cè)器材料、液晶顯示材料、高亮度發(fā)光二極管材料、光纖材料等.。
2.激光晶體材料
1960年t.h.maiman研制成功了世界上第一臺(tái)紅寶石(cr3+:al2o3)脈沖激光器。隨后，人們對(duì)激光晶體材料進(jìn)行了廣泛的研究，研究的主要目的是收集有關(guān)激光晶體的光譜和受激發(fā)射特性，確定究竟哪些類型的激光晶體能提高激光效率。為此，大量合成了一些有科學(xué)和應(yīng)用價(jià)值的有序化合物和無序化合物晶體以作為激光基質(zhì)，然后再摻入激活離子。
當(dāng)前激光晶體材料向著大尺寸、高功率、ld泵浦、寬帶可調(diào)諧以及新波長(zhǎng)、多功能應(yīng)用方向發(fā)展。激光晶體中以nd:yag最成熟，應(yīng)用最廣，產(chǎn)量最大。
2.1 nd:yag及yb:yag晶體材料
得到廣泛應(yīng)用的釔鋁石榴石(yag)是一種綜合性能(包括：光學(xué)、力學(xué)和熱學(xué))優(yōu)良的激光基質(zhì)。nd:yag稱為摻釹釔鋁石榴石(nd3+:y3al5o12，nd:yag)，是于1965年前后從數(shù)百種激光新晶體中優(yōu)選出來的。20世紀(jì)70年代在國(guó)際上完成了nd:yag晶體生長(zhǎng)條件的研究，80年代研制成功的較大尺寸的nd:yag晶體走向工業(yè)生產(chǎn)，90年代采用自動(dòng)化晶體生長(zhǎng)設(shè)備，批量生產(chǎn)出ф70mm~ф100mm大尺寸nd:yag晶體，使得采用單棒和多棒串聯(lián)組合體系的千瓦級(jí)nd:yag激光器得到了發(fā)展。
因?yàn)閚d:yag具有較高的熱導(dǎo)率和抗光傷閾值，同時(shí)3價(jià)釹離子取代yag中的釔離子無須電荷補(bǔ)償而提高激光輸出效率，使它成為用量最多、最成熟的激光材料。此外，為了尋找新的激光波長(zhǎng)，對(duì)yag基質(zhì)進(jìn)行了er，ho，tm，cr等的單獨(dú)或組合摻雜，獲得了數(shù)種波長(zhǎng)的激光振蕩。
nd:yag是理想的四能級(jí)激光器。引上法制備的nd:yag因單晶激光棒的增益高、機(jī)械性能好而得到廣泛應(yīng)用。nd3+的離子半徑為0.104nm，y3+的離子半徑為0.092nm，因?yàn)榭臻g位置效應(yīng)，yag晶體中y3+不易被nd3+所取代，故nd3+在釔鋁石榴石中的分凝系數(shù)比較小，約為0.15~0.20。nd3+濃度的集中使該區(qū)域形成化學(xué)應(yīng)力，導(dǎo)致中心區(qū)域的折射率高于周圍區(qū)域的，成分的差異也引起相應(yīng)熱膨脹系數(shù)的差異。此外，用提拉法生長(zhǎng)單晶周期長(zhǎng)(約幾周)，晶體的生長(zhǎng)方式限制了晶體的生長(zhǎng)尺寸，也限制其潛在的輸出功率。
長(zhǎng)期以來，人們一直在尋求替代材料，如：含釹玻璃或微晶玻璃等，但其性能均不及nd: yag單晶材料。自上世紀(jì)60年代，人們發(fā)現(xiàn)某些致密透明多晶材料(陶瓷)在某些性能上與同材質(zhì)單晶材料相近，甚至可以取代單晶材料。由于陶瓷制備技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，克服單晶材料的一些缺點(diǎn)，使產(chǎn)品不僅具有尺寸大，生產(chǎn)效率高，成本低的特點(diǎn)，而且摻釹量可遠(yuǎn)高于單晶體的，使其激光輸出功率大。用新工藝制造出的陶瓷激光介質(zhì)，因其散射損耗小和高效的激光振蕩而引起廣泛關(guān)注。因此，nd:yag陶瓷有望取代單晶材料而成為大型高功率固體激光器的工作物質(zhì)。
在1965年貝爾實(shí)驗(yàn)室首次獲得了yb:yag激光，但由于閃光燈泵浦條件下yb:yag晶體的高閾值和低轉(zhuǎn)換效率，并未引起人們的重視。1971年采用gaas:si發(fā)光二極管為泵浦源，在77k溫度下獲得了yb:yag在1029nm的脈沖激光輸出，峰值功率達(dá)0.7w，表明此類晶體的激光性能主要取決于泵浦條件。80年代末至90年代，隨著ingaas激光二極管性能的發(fā)展和成本的降低，開始尋求適于激光二極管泵浦條件下的激光晶體，而摻y(tǒng)b3+激光材料由于具有以下特點(diǎn)而受到了廣泛的重視。
(1) yb3+離子的電子構(gòu)型為4，僅有兩個(gè)電子態(tài)，即基態(tài)2f7/2和激發(fā)態(tài)2f5/2，在配位場(chǎng)作用下產(chǎn)生stark分裂后，形成準(zhǔn)三或準(zhǔn)四能級(jí)的激光運(yùn)行機(jī)構(gòu)。
(2)yb3+離子吸收帶在900~1000nm波長(zhǎng)范圍，能與ingaas半導(dǎo)體泵浦源(870~1100 nm)有效耦合，且吸收帶較寬，對(duì)半導(dǎo)體器件溫度控制的要求有所降低。
(3)泵浦波長(zhǎng)與激光輸出波長(zhǎng)接近，量子效率高達(dá)90%。
(4)由于量子缺陷較低(8.6%)，材料的熱負(fù)荷較低(<11%)，僅為摻nd3+同種基質(zhì)材料的1/3。
(5)不存在激發(fā)態(tài)吸收和上轉(zhuǎn)換，光轉(zhuǎn)換效率高。
(6)在相對(duì)較高的摻雜濃度下也不會(huì)出現(xiàn)濃度猝滅。
(7)熒光壽命長(zhǎng)，在同種激光材料中為nd3+離子的三倍多，能有效儲(chǔ)存能量。
目前已獲得千瓦級(jí)連續(xù)激光輸出的是yb:yag晶體，其yag基質(zhì)具有優(yōu)良的光學(xué)、熱力學(xué)、機(jī)械加工性能和化學(xué)穩(wěn)定性，特別適合于作為激光二極管泵浦條件下的高功率激光輸出，在激光切割、鉆孔以及軍用領(lǐng)域具有重要應(yīng)用價(jià)值。
2.2 金綠寶石激光材料
金綠寶石(cr3+: beal2o4)是一種新型基質(zhì)固態(tài)激光材料，用閃光燈泵浦在室溫下能發(fā)射701~818納米的整個(gè)波長(zhǎng)范圍的激光。這個(gè)區(qū)間增益是由于電子躍遷到電子震動(dòng)帶而產(chǎn)生的。另外，人工金綠寶石激光在r線(680.4納米)的發(fā)射截面約為紅寶石(r線6943納米)的十倍， nd :yag(1064納米)的三分之一。在人工金綠寶石中，泵浦發(fā)射激光過程的閃光燈的輻射是在中心位于420和590納米的帶上被吸收。在這個(gè)波長(zhǎng)區(qū)域的激發(fā)態(tài)吸收相當(dāng)于激光躍遷上能級(jí)中的離子吸收。隨著激發(fā)態(tài)吸收，離子無輻射地衰減到激光躍遷的上能級(jí)。因此激發(fā)態(tài)的吸收導(dǎo)致泵浦光轉(zhuǎn)化為熱能的直接損耗。
金綠寶石晶體的光學(xué)性能和機(jī)械性能都類似于紅寶石，而且還具備作為優(yōu)良的激光基質(zhì)的許多物理的化學(xué)的特性和機(jī)械性能，如硬度，強(qiáng)度，化學(xué)穩(wěn)定性以及高的熱導(dǎo)率(為紅寶石2至3倍和yag的2倍)等，從而使金綠寶石激光棒在高功率泵浦下不產(chǎn)生熱損傷。在大多數(shù)條件下最大功率可達(dá)千瓦級(jí)。一支激光棒每厘米長(zhǎng)度可承受的最大功率為0.6~1.3千瓦。金綠寶石激光晶體應(yīng)用于激光器中結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，因而有著廣泛的應(yīng)用前景，將會(huì)有更大的發(fā)展。
2.3 祖母綠晶體材料
最近幾年，隨著高功率ld的迅速發(fā)展，探索適合ld泵浦的新型激光晶體和重新評(píng)價(jià)原有激光晶體成為目前激光領(lǐng)域的重點(diǎn)研究?jī)?nèi)容之一。祖母綠(cr3+:be3al2si6o18)晶體是繼金綠寶石(cr3+:bea12o4)晶體之后發(fā)現(xiàn)的又一種具有寬帶輻射的優(yōu)秀可調(diào)諧激光材料，其良好的理化性能、較高的光轉(zhuǎn)換效率與量子產(chǎn)率以及其近紅外激光經(jīng)過倍頻可獲得目前較實(shí)用的紫外激光輸出等優(yōu)點(diǎn)，使其在眾多含cr3+激光晶體中具有較大的吸引力。目前，隨著祖母綠晶體新的生長(zhǎng)技術(shù)研究成功，獲得光學(xué)級(jí)的祖母綠晶體已經(jīng)成為可能，而高功率ld陣列技術(shù)的發(fā)展、也必將進(jìn)一步推動(dòng)祖母綠晶體激光器的發(fā)展。
2.4 其它晶體材料
近些年來，可調(diào)諧激光晶體是探索新型激光晶體的一個(gè)熱點(diǎn)，1982年發(fā)現(xiàn)了鈦寶石(ti3+:al2o3)寬帶可調(diào)諧激光晶體，此種晶體調(diào)諧波長(zhǎng)范圍寬，導(dǎo)熱性能好，室溫下可實(shí)現(xiàn)大能量、高功率脈沖和連續(xù)寬帶可調(diào)諧激光輸出，在軍工、工業(yè)和科技等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用，從而將可調(diào)諧激光晶體的研究推向高潮，隨后發(fā)現(xiàn)了一系列新的可調(diào)諧激光晶體，諸如：cr3+:beal2o4、cr3+:mg2sio4、licaalf6等晶體。20世紀(jì)80年代后期，作為泵浦源的激光二級(jí)管(ld)晶體，諸如：gaalas、ingaas、algalnp等半導(dǎo)體激光晶體的飛速發(fā)展，ld泵浦晶體激光器具有高功率、高質(zhì)量、長(zhǎng)壽命、小型化以及導(dǎo)致激光器實(shí)現(xiàn)全固化等優(yōu)越性，掀起了對(duì)探索新型ld泵浦的高效率小型化激光晶體的熱潮，在此研究領(lǐng)域中，摻nd3+激光晶體的研究，仍然是最活躍和最重要的一項(xiàng)研究課題，當(dāng)前性能較好的ld泵浦的摻nd3+的激光晶體。
另外，為了適應(yīng)激光器多種應(yīng)用，近年來還開展了多波長(zhǎng)激光晶體，如nd:kga(wo4)2等晶體;新波段激光晶體，如er:yap、ho:yag等晶體;自激活激光晶體，如nab與ndp5o14等晶體，以及自倍頻激光晶體(nyab)，cr: nd:gdcao(bo3)3和上轉(zhuǎn)換激光晶體(ba2ercl7)等等的研究，均取得了一些成果。
3.紅外探測(cè)器材料
紅外技術(shù)是在40年前開始應(yīng)用到防御系統(tǒng)上的。紅外光電探測(cè)器過去所用的材料主要是鉛鹽。到1970年，諸如insb和hgcdte之類的半導(dǎo)體開始在紅外技術(shù)中占居主導(dǎo)地位，成了制作光導(dǎo)器件的主要材料。這些材料以整體形式生長(zhǎng)，它們主要用于制作單個(gè)探測(cè)器元件。在七十年代，發(fā)展了新的生長(zhǎng)技術(shù)，即液相外延(lpe)，該技術(shù)成了制作鑲嵌式列陣中的光伏探測(cè)器的基礎(chǔ)。八十年代初期，美國(guó)圣巴巴拉研究中心(sbrc)首先發(fā)展了同質(zhì)結(jié)，以后為了獲得聲望又發(fā)展了異質(zhì)結(jié)，這些都是光伏器件的主要體系結(jié)構(gòu)。到八十年代中期，隨著焦點(diǎn)向第二代光電探測(cè)器列陣(光伏型)轉(zhuǎn)移，材料、材料結(jié)構(gòu)、材料生長(zhǎng)技術(shù)以及探測(cè)器體系結(jié)構(gòu)開始發(fā)生重大變化。
這些變化包括諸如分子束外延(mbe)和金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積(mocvd)之類的新的生長(zhǎng)技術(shù)、諸如量子阱光導(dǎo)體之類的先進(jìn)的材料結(jié)構(gòu)、諸如用于非致冷探測(cè)的多色集成光電探測(cè)器和微熱輻射計(jì)之類的新的器件結(jié)構(gòu)以及先進(jìn)的探測(cè)器和材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手段。用于在1~20μm紅外光譜區(qū)進(jìn)行紅外探測(cè)的材料和材料混合體種類很多。表1列出了這些材料以及它們的光譜范圍。
大約在10年前出現(xiàn)的最早的新材料是hgznte(hzt)。這是由arden sher等人首先提出的。同hgcdte相比，hzt材料的結(jié)構(gòu)更堅(jiān)固，但它卻具有與hgcdte非常相似的電學(xué)和光學(xué)特性。在八十年代中期，美國(guó)圣巴巴拉研究中心根據(jù)spicer-sher-chen的hgcdte合金的鍵穩(wěn)定性模型，用液相外延長(zhǎng)成了hzt。由于材料學(xué)方面的一些問題，hzt最適合用水平液相外延從相位圖的te角處進(jìn)行生長(zhǎng)，這樣便不會(huì)具有最佳的hgcdte器件中所用的從hg角處生長(zhǎng)的垂直液相外延層的撓性。這個(gè)生長(zhǎng)難題一直限制著hgznte在紅外焦平面技術(shù)方面的應(yīng)用。
到九十年代，出現(xiàn)了一組新的適用于紅外但基于ⅲ-v族材料的合金半導(dǎo)體。美國(guó)圣巴巴拉研究中心的sher小組首次預(yù)告了intlp材料。這些材料是用非平衡生長(zhǎng)技術(shù):分子束外延、金屬有機(jī)化學(xué)汽相淀積以及金屬有機(jī)分子束外延生長(zhǎng)的。它們被用于制作集成焦平面列陣，例如，在這種集成焦平面列陣中，可以將intlp探測(cè)器列陣直接生長(zhǎng)在包含讀出和多路傳輸器功能的inp襯底上。
目前hgcdte依然占居著紅外探測(cè)器材料的主導(dǎo)地位。由于hgcdte體晶生長(zhǎng)受到組分分凝、hg壓難于控制等客觀條件的限制，使體晶材料在單晶面積、組分均勻性和結(jié)晶完整性等方面已不能滿足紅外焦平面探測(cè)器件發(fā)展的需要，而hgcdte外延(lpe、mbe、movpe等)因其生長(zhǎng)溫度低，克服了體晶熔體生長(zhǎng)的缺點(diǎn)，并能直接獲得適合器件的結(jié)構(gòu)(如原生雙色、pn結(jié)、表面鈍化等)。因此，外延技術(shù)已成為hgcdte晶體研究的方向。
cdznte是一種由cdte和znte組成的膺二元化合物半導(dǎo)體材料，熔點(diǎn)因zn含量不同，在1092~1295℃變化。由于生長(zhǎng)溫度高、熱導(dǎo)率低、離子性強(qiáng)、堆垛層錯(cuò)能低、機(jī)械強(qiáng)度小等不利于晶體生長(zhǎng)的因素，因此，要生長(zhǎng)符合襯底要求且重復(fù)性好、成品率高的cdznte晶體是十分困難的。但由于其在軍事和民用領(lǐng)域的重要應(yīng)用價(jià)值，一些西方發(fā)達(dá)國(guó)家二十多年來從未間斷過對(duì)cdznte晶體的研究，晶體性能不斷提高，并在一系列大面陣紅外探測(cè)器、_/γ射線探測(cè)器、光電調(diào)制器、高效太陽(yáng)能電池等領(lǐng)域得到了較好的應(yīng)用。
大面積高均勻性hgcdte外延薄膜及大尺寸cdznte襯底材料仍是2023年前紅外探測(cè)器所用的主要材料。
4. 液晶材料
顯示用液晶材料是由多種小分子有機(jī)化合物組成的，這些小分子的主要結(jié)構(gòu)特征是棒狀分子結(jié)構(gòu)?，F(xiàn)已發(fā)展成很多種類，例如各種聯(lián)苯腈、酯類、環(huán)己基(聯(lián))苯類、含氧雜環(huán)苯類、嘧啶環(huán)類、二苯乙炔類、乙基橋鍵類和烯端基類以及各種含氟苯環(huán)類等。近幾年還研究開發(fā)出多氟或全氟芳環(huán)以及全氟端基液晶化合物。隨著lcd的迅速發(fā)展，人們對(duì)開發(fā)和研究液晶材料的興趣越來越大。
4.1 tn-lcd用液晶材料
tn型液晶材料的發(fā)展起源于1968年，當(dāng)時(shí)美國(guó)公布了動(dòng)態(tài)散射液晶顯示(dsm-lcd)技術(shù)。但由于提供的液晶材料的結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定性，使它們作為顯示材料的使用受到極大的限制。1971年扭曲向列相液晶顯示器(tn-lcd)問世后，介電各向異性為正的tn型液晶材料便很快開發(fā)出來;特別是1974年相對(duì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的聯(lián)苯睛系列液晶材料由g.w.gray等合成出來后，滿足了當(dāng)時(shí)電子手表、計(jì)算器和儀表顯示屏等 lcd器件的性能要求，從而真正形成了tn-lcd產(chǎn)業(yè)時(shí)代。
lcd用的tn液晶材料已發(fā)展了很多種類。這些液晶化合物的結(jié)構(gòu)都很穩(wěn)定，向列相溫度范圍較寬，相對(duì)粘度較低。不僅可以滿足混合液晶的高清亮點(diǎn)、低粘度在20~30mpa·s(20℃)及△n≈0.15的要求，而且能保證體系具有良好的低溫性能。含聯(lián)苯環(huán)類液晶化合物的△n值較大，是改善液晶陡度的有效成分。嘧啶類化合物的k33/k11值較小，只有0.60左右，在tn-lcd和stn-lcd液晶材料配方中，經(jīng)常用它們來調(diào)節(jié)溫度序數(shù)和△n值。而二氧六環(huán)類液晶化合物是調(diào)節(jié)“多路驅(qū)動(dòng)”性能的必需成分。
4.2 stn-lcd用液晶材料
自1984年發(fā)明了超扭曲向列相液晶顯示器(stn-lcd)以來，由于它的顯示容量擴(kuò)大，電光特性曲線變陡，對(duì)比度提高，要求所使用的向列相液晶材料電光性能更好，到80年代末就形成了stn- lcd產(chǎn)業(yè)，其產(chǎn)品主要應(yīng)用在bp機(jī)、移動(dòng)電話和筆記本電腦、便攜式微機(jī)終端上。
stn-lcd用混晶材料一般具有下述性能：低粘度;大k33/k11值;△n和vth(閾值電壓)可調(diào);清亮點(diǎn)高于工作溫度上限30℃以上?；炀Р牧系恼{(diào)制往往采用“四瓶體系”。這種調(diào)制方法能夠獨(dú)立地改變閾值電壓和雙折射，而不會(huì)明顯地改變液晶的其他特性。
stn-lcd用液晶化合物主要有二苯乙炔類、乙基橋鍵類和鏈烯基類液晶化合物。二苯乙炔類化合物：把stn-lcd的響應(yīng)速度從300ms提高到120~130ms，使stn-lcd性能得到大幅度的改善，從而在當(dāng)今的stn-lcd中使用較多，現(xiàn)行stn-lcd用液晶材料中約有70%的配方中含有二苯乙炔類化合物。乙基橋鍵類液晶：與相應(yīng)的其他類液晶比較，這類液晶的粘度、△n值都比較低;相應(yīng)化合物的相變溫度范圍和熔點(diǎn)相對(duì)較低，是調(diào)節(jié)低溫tn和stn混合液晶材料低溫性能的重要組分。鏈烯基類液晶：由于stn-lcd要求具有陡閾值特性，為此，只有增加液晶材料的彈性常數(shù)比值k33/k11才能達(dá)到目的。烯端基類液晶化合物具有異常大的彈性常數(shù)比值k33/k11，用于stn-lcd中，得到非常滿意的結(jié)果。
近年來，stn顯示器在對(duì)比度、視角與響應(yīng)時(shí)間上都有顯著的進(jìn)步。由于tft-lcd的沖擊，stn-lcd逐漸在筆記本電腦和液晶電視等領(lǐng)域失去了市場(chǎng)。鑒于成本的因素，tft-lcd將不可能完全代替stn-lcd原有的在移動(dòng)通訊和游戲機(jī)等領(lǐng)域的應(yīng)用。
4.3 tft-lcd用液晶材料
隨著薄膜晶體管tft陣列驅(qū)動(dòng)液晶顯示(tft lcd)技術(shù)的飛速發(fā)展，近年來tft lcd不僅占據(jù)了便攜式筆記本電腦等高檔顯示器市場(chǎng)，而且隨著制造工藝的完善和成本的降低，目前已向臺(tái)式顯示器發(fā)起挑戰(zhàn)。由于采用薄膜晶體管陣列直接驅(qū)動(dòng)液晶分子，消除了交叉失真效應(yīng)，因而顯示信息容量大;配合使用低粘度的液晶材料，響應(yīng)速度極大提高，能夠滿足視頻圖像顯示的需要。因此，tft lcd較之tn型、stn型液晶顯示有了質(zhì)的飛躍，成為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的顯示技術(shù)之一。
與tn、stn的材料相比，tft對(duì)材料性能要求更高、更嚴(yán)格。要求混合液晶具有良好的光、熱、化學(xué)穩(wěn)定性，高的電荷保持率和高的電阻率。還要求混合液晶具有低粘度、高穩(wěn)定性、適當(dāng)?shù)墓鈱W(xué)各相異性和閾值電壓。tft lcd用液晶材料的特點(diǎn)：
tft lcd同樣利用tn型電光效應(yīng)原理，但是tft lcd用液晶材料與傳統(tǒng)液晶材料有所不同。除了要求具備良好的物化穩(wěn)定性、較寬的工作溫度范圍之外，tft lcd用液晶材料還須具備以下特性：
(1)低粘度，20℃時(shí)粘度應(yīng)小于35mpa·s，以滿足快速響應(yīng)的需要;
(2)高電壓保持率(v.h.r)，這意味液晶材料必須具備較高的電阻率，一般要求至少大于1012ω·cm;
(3)較低的閾值電壓(vth)，以達(dá)到低電壓驅(qū)動(dòng)，降低功耗的目的;
(4)與tft lcd相匹配的光學(xué)各向異性(△n)，以消除彩虹效應(yīng)，獲得較大的對(duì)比度和廣角視野。△n值范圍應(yīng)在0.07~0.11之間。
在tn、stn液晶顯示中廣泛使用端基為氰基的液晶材料，如含氰基的聯(lián)苯類、苯基環(huán)己烷類液晶，盡管其具有較高的△ε以及良好的電光性能，但是研究表明，含端氰基的化合物易于引人離子性雜質(zhì)，電壓保持率低;其粘度與具有相同分子結(jié)構(gòu)的含氟液晶相比仍較高，這些不利因素限制了該類化合物在tft lcd中的應(yīng)用。酯類液晶具有合成方法簡(jiǎn)單、種類繁多的特點(diǎn)，而且相變區(qū)間較寬，但其較高的粘度導(dǎo)致在tft lcd配方中用量大為減少。因此，開發(fā)滿足以上要求的新型液晶化合物成為液晶化學(xué)研究工作的重點(diǎn)。
目前，在液晶顯示材料中，tn-lcd已逐步邁入衰退期，市場(chǎng)需求逐漸萎縮，而且生產(chǎn)能力過剩，價(jià)格競(jìng)爭(zhēng)激烈，己不具備投資價(jià)值。而stn-lcd將逐漸進(jìn)入成熟期，市場(chǎng)需求穩(wěn)步上升，生產(chǎn)技術(shù)完全成熟。而tft-lcd在全球范圍內(nèi)正進(jìn)入新一輪快速增長(zhǎng)期，市場(chǎng)需求急劇增長(zhǎng)，有望成為21世紀(jì)最有發(fā)展前途的顯示材料之一。
5.高亮度發(fā)光二極管材料
發(fā)光二極管(led)是采用電阻率較低的p型和n型半導(dǎo)體材料，通過摻雜，達(dá)到較高寬度的能隙，從而達(dá)到有效的光輻射通路，獲得可見光輻射的效果，供人類應(yīng)用。但是在實(shí)際生產(chǎn)過程中，絕大多數(shù)半導(dǎo)體材料所具有的是間接能隙，因此不適合做led材料。而硅和鍺等典型的半導(dǎo)體材料雖然很容易制成二極管，但其發(fā)光效率極低，但只能發(fā)射紅外線。在自然環(huán)境中，金剛石是唯一具有較寬能隙的材料，并能發(fā)射可見光，但這種材料制作難度大，而且價(jià)格過于昂貴，因此也不是理想的材料。人類在不斷實(shí)踐、改進(jìn)、探索過程中，找到algaas材料、algainp材料、ingan材料等一元素、三元素、四元素材料。同時(shí)不斷改進(jìn)襯底材料和封裝材料，使得在從紅色到紫外的整個(gè)光譜范圍內(nèi)都可以找到合適的led材料。
發(fā)光二極管(led)問世于20世紀(jì)60年代，1964年ⅲ-v族發(fā)光材料gaasp開發(fā)成功，出現(xiàn)了紅色led，峰值波長(zhǎng)約為650nm。雖然，驅(qū)動(dòng)電流為20ma時(shí)，單個(gè)led發(fā)出的光通量只有千分之幾流明，相應(yīng)的發(fā)光效率只有0 .1 lm/w，但是全固體光源開始被人們接受，主要用于指示燈領(lǐng)域。
70年代，材料研究更加活躍，是led發(fā)展史上的第一個(gè)高潮。gaasp/ gaas的質(zhì)量有所提高，并且利用汽相外延(vpe)和液態(tài)外延法(lpe)制作外延材料，如 gapzno紅色led和gapn綠色led，不僅使光效提高到1 lm/w，而且發(fā)光顏色覆蓋了從黃綠色到紅外的光譜范圍(565~940nm)，應(yīng)用也開始進(jìn)入顯示領(lǐng)域。
80年代之后，應(yīng)用層面逐漸展開，封裝技術(shù)逐步提高，周邊支持條件也相對(duì)形成，促使led技術(shù)得到突破。例如，用lpe技術(shù)制作gaalas外延層，制作高亮度紅色led和紅外二極管(iled)，波長(zhǎng)分別為660、880和940nm。隨著金屬有機(jī)化學(xué)汽相外延法(movpe)的開發(fā)，產(chǎn)生了780nm半導(dǎo)體激光二極管;用新芯片材料alingap制成的紅色、黃色led光效可達(dá)10lm/w，若采用透明襯底，光效可超過20lm/w。而1994年通過movpe研制的第三代半導(dǎo)體材料gan使藍(lán)、綠色led光效達(dá)到10lm/w，實(shí)現(xiàn)了led的全色化。
發(fā)光二極管材料在90年代有了突破性進(jìn)展。90年代初，toshiba公司和hewlett packark公司開發(fā)了ingaalp材料，該材料具有高發(fā)光功效，可覆蓋從黃綠光到紅光整個(gè)光譜范圍。90年代中期，nichia公司和toyoda gosei公司研發(fā)出具有高發(fā)光功效的發(fā)藍(lán)和純綠光的ingan leds，有史以來第一次生產(chǎn)出能滿足戶內(nèi)和戶外各種應(yīng)用的高亮度全色led。
通常，人們把光強(qiáng)為1 cd作為一般led和高亮度led的分界點(diǎn)。目前，制作高亮度led的材料主要為algaas、algainp和gainn。algaas適用于高亮度紅光和紅外led，用lpe制造;與gaas襯底晶格匹配的四元直接帶隙材料algainp的發(fā)光二極管量子效率高，發(fā)光波長(zhǎng)范圍覆蓋了從紅光到黃綠光，因此高亮度紅、橙、黃光光源常常采用algainp材料來生長(zhǎng)器件。高亮度發(fā)光管在交通指示燈、全彩色戶外顯示及自動(dòng)顯示等方面得到了廣泛的應(yīng)用。gainn適用于高亮度深綠、藍(lán)、紫及紫外led，用高溫movpe制造。
自1995年以來，高亮度發(fā)光二極管(led)的市場(chǎng)每年以58.4%的平均增長(zhǎng)速率增長(zhǎng)，2000年其銷售額已達(dá)12億美元。如此快的增長(zhǎng)速度是由于高亮度led的性能在不斷提高，發(fā)光范圍擴(kuò)展到覆蓋整個(gè)可見光譜區(qū)，使得新的應(yīng)用不斷擴(kuò)大的結(jié)果，這正是以前傳統(tǒng)低亮度比led不能達(dá)到的效果。
高亮度led的性能通常是由制作它們所用的材料和組裝燈的性能而決定的，所使用的材料一般為algaas、ingaalp和ingan。特別在藍(lán)光ingan led中再摻入一種光材料，能獲得發(fā)白光的led。利用這三種材料中的任意一種制作的標(biāo)準(zhǔn)5mm燈，其發(fā)光強(qiáng)度至少有幾百毫坎。目前用這三種材料制作的最好的燈，極易實(shí)現(xiàn)10cd的發(fā)光強(qiáng)度。預(yù)計(jì)高亮度led的發(fā)光效率應(yīng)大于5 lm/w。
自從gaasp led開始，連續(xù)不斷的科研成果使led的發(fā)光效率(lm/w)提高的速度達(dá)到每10年提高10倍，30年竟提高了1000多倍，導(dǎo)致今日的led比之通用光源白熾燈甚至鹵素?zé)艟哂懈叩男省?/p>
用于制造高性能led的材料、器件和相應(yīng)的技術(shù)示于表2。algainp led是1991年由美國(guó)hp公司的craford等人和日本東芝公司研制成功，并于1994年采用低壓金屬有機(jī)物化學(xué)氣相淀積(lp-mocvd)技術(shù)改進(jìn)成功，通常采用gaas作襯底。其后craford等人又開發(fā)了gap透明襯底技術(shù)，將紅色和黃色雙異質(zhì)結(jié)材料制成led，其發(fā)光效率提高到20lm/w，這就使led的發(fā)光效率超過了白熾燈的15lm/w，后又提高到40~50lm/w，最近再加上多量子阱結(jié)構(gòu)，紅光達(dá)到73.7lm/w。而在近兩年來采用截頭錐體倒裝結(jié)構(gòu)技術(shù)，紅、黃光led可分別達(dá)到102lm/w和68lm/w，外量子效率提高了5~7倍。用此材料制成的綠光(525nm)led，也達(dá)到了18lm/w。臺(tái)灣的uec公司最近研制成用透明膠質(zhì)粘接藍(lán)寶石晶片到外延片正面，再移除gaas襯底的方法，制成了gb黃色ingaalp led，發(fā)光效率達(dá)到40lm/w。目前已推廣到紅色led，效果也很好。
高性能的ingan led于1993年由日本nichia chemical公司的nakamura博士研制成功。他在用ingan材料設(shè)計(jì)研制雙異質(zhì)結(jié)紫外光激光器時(shí)，一通電竟然跳出來一個(gè)燦爛奪目的超高亮度藍(lán)光(450nm)led，光強(qiáng)達(dá)到1~2cd，采用的方法是雙氣流(tf)mocvd，在器件工藝中采用了氮?dú)夥障聼嵬嘶鹬谱鱥nganp型層的新工藝。不久日亞推出了以藍(lán)色led芯片上覆蓋以釔鋁石榴石為主體的熒光粉制成的白色發(fā)光二極管。它是由藍(lán)光激發(fā)熒光粉產(chǎn)生黃綠光并與藍(lán)光合成的白光，由于熒光光譜較寬，幾乎覆蓋了整個(gè)可見光譜范圍，所以合成的白光的顯色指數(shù)可達(dá)到80~85，亮度目前已達(dá)到6.5cd，發(fā)光效率也達(dá)到了25 lm/w。
超高亮度發(fā)光二極管性能水平列于表3。表中dh為雙異質(zhì)結(jié)，ts為透明襯底，mqw為多量子阱，tip為截頭倒裝堆體，sqw為單量子阱。表中“外量子效率”一欄中未給出數(shù)據(jù)的是指20ma下的外量子效率。
