有机高分子材料在光电中的应用.ppt

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1、功能高分子材料在光电领域的应用,概 论,随着新一代显示技术的普及，LCD、PDP、OLED等这些新兴的名词逐渐被人们所熟悉。这也标志有机高分子功能材料在光电领域中有着不可替代的地位。当然，以激光器的诞生、光纤的普及，使得通信进入了光的时代。在这场革命中有机高分子材料同样不甘寂寞，塑料光纤、非线性光学有机材料说明这些。,光电功能有机高分子材料主要应用领域,光电显示领域的应用液晶材料：电致发光材料：闪烁体材料：光通信领域的应用有机非线性光学材料有机光导纤维材料 信息存储领域的应用光致变色材料 微电子领域的应用光刻胶 其它领域的应用,光电子显示技术,光显示技术集电子、通信和信息处理技术于一身，是电子

2、信息工业继微电子、计算机之后的又一重大发展机会。而这个领域也是光电功能有机高分子材料应用最为成熟的领域。以液晶材料和有机电致发光材料为基础的LCD 和OLED将成为这个领域的主导者。,液晶材料,什么叫液晶？,液晶(liquid crystal)是一种在一定温度范围内呈现不同于固态、液态的特殊物质形态，是一种介于固体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。,液晶的历史。,1888奥地利植物学家莱尼兹尔发现。1889德国物理学家Lehmann观察到了液晶现象，并正式命名。1922法国人菲利德尔将液晶分为三种基本类型也就是现在人们所熟知的，向列型，近晶型及胆笫村1963威廉姆斯发现向列液晶中的畴

3、结构1968美国的RCA公司发现了向列型液晶通电后动态散射模式，并正式提出液晶的电子显示的概念。1985出现了STN液晶目前：广泛采用的TFT驱动的STN液晶。,液晶的分类：,向列型液晶 棒状分子都以相同的方向排列，每个分子在长轴方向比较自由的移动，不存在层状结构近晶型液晶 棒状分子排列成层状，分子相互平行排列与层大致垂直胆甾相液晶 分子在层面内与向列型液晶一样呈平行排列但是长轴取向由少有些差异，整个液晶形成螺旋状。,常见的液晶分子,早期的液晶大多是刚性棒状的分子 中心桥键的结构与液晶性能密切相关,无中心桥键，对光、电具有很高的稳定性，粘度特别低,液晶材料的基本特性,液晶具有和光学单轴晶体同样

4、的各向异性的折射率，具有两个不相同的主折射率。施加电场后，液晶的排列方向随之改变，并改变了液晶光学性质。,液晶的扭曲效应,常见的液晶显示器件,液晶显示器的原理图,垂直线性偏光器 玻璃薄片 透明X电极 校准层 液态晶体流 校准层 透明Y电极 玻璃薄片 水平线性偏光器DSTN（dual-scan twisted nematic，双扫描交错液晶显示），被动矩阵（无源矩阵）TFT（thin film transistor，薄膜晶体管显示），积极矩阵（有源矩阵）,液晶着色原理图,液晶工作原理图,液晶材料在其它光电领域应用,高速光功能器件 光快门 非线性光功能器件 特殊的液晶材料DOMAMBC也存在倍频效

5、应，与YAG激光产生了2阶非线性效应。分立元器件 部分液晶材料具有较大的介电常数，可以被用来制作大容量小型的电容。,电致发光材料及OLED,OLED的市场前景,电致发光效应,电致发光效应是指在功能材料（主要是荧光体）在外加电场作用下的自发光现象。电致发光就方式而言可以分为两种：注入型和本征型。就材料而言可以分为：有机性和无机性两大类。,OLED的结构原理图,OLED的原理示意图,陰極,陽極,电子传输层,保护层,玻璃基板,紅光,緑光,藍光,白色光,白色光,白光发光层,空穴传输层,蓝滤色层,绿滤色层,红滤色层,OLED的特点,OLED从理论的角度来说可以提供真正像纸一样薄的显示器。而且是柔性的，可

6、以嵌在衣服首饰等等。低功耗、光视角、响应速度（亚微秒级），以实现大面积全彩显示。结构相当简单。日本2002年政府启动政府基金支持开始60英寸OLED研发,OLED的产品,常用的OLED材料,柯达公司采用的有机小分子结构材料。采用的工艺流程是蒸镀的方式。,剑桥所采用的有机大分子结构。采用的工艺流程是甩胶的方式。,除了光致发光层外，电流注入层和空穴注入层都广泛采用高分子有机化合物,有机高分子闪烁体材料,闪烁体材料,在辐射的作用下能够发出短暂荧光或者磷光的物质 荧光和磷光材料主要区别在于跃迁辐射的机理不同。,有机闪烁体,有机的闪烁体主要有蒽、联苯等有机体。目前发展的塑料荧光材料采用高聚物和荧光物质组

7、成，其中高聚物在塑料闪烁体中起着溶解荧光物质、吸收射线能量、传递能量和基质作用。,有机荧光材料的特点,目前塑料荧光体主要有聚苯乙烯、聚甲苯乙烯、聚二甲基苯乙烯、聚甲基丙酸甲脂、环氧树脂等。这些高分子有机荧光材料特点：发光衰减时间短、光自吸收小、容易加工成型。,闪烁体材料的基本原理。,是个比较复杂的基础理论问题。不经与闪烁体本身有关还和激发物质（各种辐射，电子射线）。目前还没有统一完善的理论。通常的解释，按照分子轨道理论，原子间形成的分子时可以组成若干个分子轨道，其中有成健轨道和反健轨道。基态分子的成健电子运动在成健轨道中。当受到激发的时候，成健轨道中的一个电子就可能跃迁到反健轨道上，这样的分子

8、称为激发态分子。量子力学中指出，激发态分子中，跃迁到反健轨道上的电子，其自旋可以有两种状态。自旋方向相同的称为单线态，自旋方向相同成为三态线，两种态都是激发态但是能级不同。通常认为单线态跃迁到基态发出荧光，三线态跃迁到基态发出磷光，其发光是在一段的时间内衰减的。,荧光体主要应用,闪烁探测器,利用闪烁体发出的荧光，经过光电倍增管在阳极等到了电压脉冲，测定其脉冲变化，就可以设计出闪烁计数器，闪烁能谱仪等多种闪烁探测器。,闪烁探测中的荧光材料,卢瑟福第一次用肉眼x粒子撞击荧光屏产生了闪烁光，但是那是有机闪烁体；震惊世界的弱相互作用宇称不守恒定律的实验证明，就是由华裔吴健雄女士利用闪烁实验而完成的。,

9、光导塑料纤维,普通光纤的简介,传统光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂的工艺拉制而成。光纤中心部分(芯Core)同心圆状包裹层(包层Clad)涂覆层,特点：ncorenclad 光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。,1970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通信开始从理想变成可能。1974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法CVD法（气相沉积法），使光纤损耗降低到1分贝公里。1977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达100万小时（实用中10年左右）的半导体激光器，从而有了真正实用的激光器。1977年，世界上第一条光纤通信系统

10、在美国芝加哥市投入商用，速率为45Mb/s。低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创了光纤通信的时代。,光纤之路,光通信,有机光纤的历史,有机光纤的研究和生产几乎与石英光纤同时进行1964美国杜邦公司首先开发聚甲基丙烯酸甲脂（PMMA）为纤芯的有机光导纤维目前有机光纤（塑料光纤）在光纤产品中占有一席之地。随着，FTTH的普及，有机光纤的需求会越来越大，甚至可能超过玻璃光纤。,塑料光纤的特点,有机光纤一般传送蓝光较优，石英光纤传送红外光较优能够制成较粗纤经的纤芯，数值孔径大幅度提高信息传输容量，耦合损耗低，机械性能良好，能够承受反复的弯曲和震动，加工方便，只要普通的剃须刀片就能提供近乎精细

11、研磨和抛光的端面，适合现场安装，系比重比较小（与水相当，石英比重2。4左右），减少系统的重量价格低廉仅为石英的1/10耐辐照性能,FTTH,展望,1。降低光损耗和增加传送波长宽度 杜邦公司开发的氘代甲基丙烯酸酯的光纤研究，已经将20db/km降到比较完美的境界。并使有机光导纤维最佳工作波长延伸到了870nm，使用目前常规使用的镓铝砷激光器和发光二极管的820nm波长，接近石英光纤通讯水平。2。提高有机光导纤维热性能 有机光纤热性能往往影响它们的性能，这个方面是有机光导纤维将来能否得到进一步发展的关键3。有机光导纤维的开发利用 随着有机光纤的性能的改善，其应用的领域也在不断的开拓，有室内装饰向通

12、讯领域发展。目前宇宙，军事，空间等高科技领域都找到了潜在的发展。（保密性能好、不受干扰、无法窃听）4。总之，有机纤维是渗透多学科的研究结晶，他不仅带动化学科学的发展，还在光电领域开拓新的领域，在整个光电科学领域中将产生革命性变化。,有机非线性光学材料,非线性光学机理,非线性光学效应是指强相干光（如激光）在非线性介质中传播时，光波与物质分子相互作用，其电场引起介质产生的非线性极化效应。,非线性光学的重要价值,1960年激光器诞生以来，非线性光学得到了飞跃发展。以非线性光学为背景的光信息技术有许多优点：并行性，高频率，高带宽，高密度，及耐电磁波杂音等。21世纪高速度传输，处理及运算大容量信息，有赖

13、于非线性光学在光技术领域的应用。非线性光学效应对于发展全面固体光技术及其他光技术有着许多非常重要的作用.,传统的非线性光学材料,.磷酸二氢钾(KDP)钒酸钇(YVO4)钽酸钾(KTaO3）磷酸二氘钾(KD*P)白宝石(-Al2O3)LiNbO3 近来出现新的转换效率高的优质的非线性光学材料 钛酸钡系列晶体 KTP(KTiOPO4)BBO(BaB2O4)LBO(LiB3O4),到目前为止,实用的非线性光学材料产品都是无机材料，主要是铁电体及半导体。,高分子非线性光学材料的历史,有机非线性材料始于上个世纪60年代。1964年Rentzepis等人用红宝石激光器观察到苯并吡的二阶高谐波；同年Heil

14、meir等人观察到乌洛托品晶体的二阶高谐波1968年Kurtz等人提出了粉末法半定量估计二阶非线性谐波法。1976年Sauteret等人预言三次谐波,非线性光学材料实用化的几个基本条件：,非线性极化率较大，转换率高光损伤阀值高光学透明而且均一的大尺寸晶体在激光波段吸收比较小；易产生相位匹配化学及热稳定性较好，不易吸潮制备工艺简单，价格便宜 遗憾的是目前还没有任何一种有机非线性光学晶体全部满足要求,高分子体系的特点,响应速度快，低于10皮秒非常大的共振光学效应低的直流介电常数，使器件要求小的驱动电压；吸收系数低，仅为有机晶体及化合物半导体的万分之一；优良的化学稳定性及结构稳定性；系统不需要环境保

15、护及低温设施；激光损伤阀值可高达GW/cm2；机械性能好且易于加工的等等。使有机高分子可加工为各种不同的形式，例如均一的柔软的膜，液晶聚合物，聚合物共混物及合金，分子复合物，纤维，块状物，LB膜。以上形式有利于控制尺寸及控制上折射系数。,目前高分子非线性材料发展的水平,目前的非线性光电市场中，无机占77%，其余都是半导体材料，这些材料与si一样都是对于红外区域是透明的。但是有机高分子材料发展迅速，无论是在基础研究还是在商品化水平。目前：发展的聚合物的光电效应性能及SHG已与LiNbO3相同，而主要有待解决的就是发展高度透明膜及保持取向电场极化的稳定性。对全光过程及其他的应用方面，如非共振型x3

16、至少改善了3个数量级之后才能使用。不管如何，目标明确后，必然加速了发展新概念及探求具有更高非线性而且低吸收系数材料的努力。,未来的展望,NLO聚合物适合干什么？,二次谐波,调节器多路驱动器中继器,神经网络空间光调制器件,光信号处理,通讯,未来的展望,NLO聚合物适合干什么？,三次谐波,光双稳态光开关,全光过程,数字式（光计算）,信号处理并行 串行,非线性光学在光通信中应用,光信头处理,光脉冲串输入,光脉冲输入A,非线性光纤环镜（NOLM）构成异或门,光脉冲输入B,帧头识别地址匹配等,未来的展望,光信头处理,全光信号处理：,光信号处理即“光控制光”，通过光学非线性由一束光控制另一束光的振幅，相位

17、，频率，强度；,初级阶段的高速光信号处理：,利用光纤交叉相位调制：,光脉冲串输入,光脉冲输入A,非线性光纤环镜（NOLM）构成异或门,光脉冲输入B,非线性光学器件构成逻辑门,光致色变与信息存储技术,什么是光致色变现象？,某些有机和无机化合物，在特定波长的光作用下，其颜色可发生可逆的变化，这就是光致色变现象。主要具有以下三个特点：1）有色和无色的亚稳态的可控可逆变化 2）分子规模的变化过程 3）亚稳态间的变化程度与作用光强度呈线性关系。,键的断裂引起的光致变色,互变异构引起的光致变色,激光光盘技术,三种常见的光盘,激光光盘母盘的制作,光致变色用于信息存储的优点,储存密度高 光响应速度快 抗磁 防

18、污性能好 加工容易，成本低 缺点：稳定性差、光谱吸收范围窄等,未来的应用,光致色变现象最早在生物体内发现的，距今已经有近百年历史，而随后本世纪发现了无机和有机化合物的光致色变现象。并在涂料和光致色变眼睛和玻璃得到广泛的应用。外加电场下一个方便而又切实可行的控制信息存储的方法，在未来的高信息容量，高对比度和可控信息存储时间的光纪录介质方面会得到进一步的应用。,光刻胶与微电子技术,微电子的发展,1943年，英国，第一台电子计算机“巨人”1946年，美国，“恩尼亚克”，每秒千次计算 1948年，发明了半导体晶体管 1958年，半导体表面技术出现了突破，在半导体表面可形成晶体管。硅即可是电子元件，又可

19、成为电流的通路 1971年，Intel公司制成CPU芯片 集成电路的集成度每18个月翻一番的速度前进（摩尔定律）,光刻与光刻胶集成电路制造的关键,光刻过程,光刻示意图,光刻技术对光刻胶的要求,要求有很好的成膜性。光刻时一般采用旋转涂胶的办法，即在硅片的中心滴一滴光刻胶，然后在高速旋转台上旋转，使光刻胶均匀分布在硅片上成膜。要求胶膜对二氧化硅有强的附着力。要有足够的光敏性。要有良好的分辨率，所谓分辨率就是光刻可达到的最细线条的宽度。对光刻所用腐蚀液有良好的抗腐蚀性等等,光刻胶（光致抗蚀剂）的种类,常用的光刻胶,常见的光刻胶,叠氮化合物在紫外光照射下，可放出氮气形成具有双自由性质叫氮卡宾的物质，这

20、种物质能以多种形式与双键甚至C-H键反应成键,光刻胶工作原理,常见光刻胶,邻醌重氮型光刻胶水性光刻胶（可用水溶液显影的光刻胶）,提高光刻分辨率的主要改进方法,将传统光刻中的接触曝光（掩模与硅片直接接触）改为投影曝光，以后又改为分步缩小投影曝光。采用短波长的紫外光作为光源，例如由波长436纳米的G线光源改为365纳米的I线光源和248纳米的激光。,下一代光刻技术对光刻胶要求,下一代光刻技术要求提高光刻胶对深紫外光、X光和电子束等光刻胶的灵敏度，其原因是因为光化学反应的原理有了变化。,。,功能高分子有机材料在其他光电领域的应用,参考文献,黄维垣等.高技术有机高分子材料进展.化学工业出版社田明波.电子显示.清华大学出版社朱裕贞,顾达,黑恩成.现代基础化学.北京:化学工业出版社,1998 宋心琦主编.走近化学丛书.湖南教育出版社,1999 超星图书馆 中国期刊网,谢 谢,