光电显示材PPT课件.ppt

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1、 光电显示材料光电显示材料2.1 发光机理与发光特性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光电显示材料和器件的基本特性2.3 发光显示材料发光显示材料2.4 受光显示材料受光显示材料2.5 光电显示材料的发展前景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1.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1)原子核变化：g射线2)原子电子结构变化：可见，紫外，X射线3)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10nm1

2、mm。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、红外辐射。二.固体材料的发光过程分类u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：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

3、由于吸收能量而随之发生的发射光现象。u根据激发光源类型的不同，发光过程主要有如下三类：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.1.光致发光（1）定义：在外界光源照射下，物体从中获得能量，

4、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Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm日光灯的构造示意图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

5、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，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

6、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：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磷光磷光荧光荧光相同点自发辐射；光致冷发光不同点发光速度慢，持续时间长发

7、光速度慢，持续时间短光源离开，磷光持续发光光源离开，荧光消失激发态自旋组态与初态不同激发态自旋组态与初态相同实例夜明珠荧光灯夜明珠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

8、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，

9、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

10、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

11、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：

12、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1.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间接复合时必须发时必须发射声子射声子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

13、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

14、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。半宽度半宽度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量子量子=N发光发光/N吸收吸收能量效率 光能量与激发源输入能量之间的比值B量子量子=E发光发光

15、/E吸收吸收光度效率 光的流明数与激发源输入流明数的比值：B量子量子=光度光度发光发光/光度光度吸收吸收2.发光强度3.发光持续时间（余辉）荧光：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 发发光光材材料料的的颜颜色色在在商商品品上上主主要要用用所所谓谓色色坐坐标标来来表表示示。我我们们知知道道，平平常常所所看看到到的的颜颜色色都都可可以以用用红红、绿绿、蓝蓝3种种彼彼此此独独立立的的基基色色匹匹配配而而成成。但但在在匹匹配配

16、某某种种颜颜色色时时，不不是是将将3种种颜颜色色叠叠加加起起来来，而而是是从从2种种颜颜色色叠叠加加的的结结果果中中减减去去第第3种种颜颜色色。所所以以，国国际际照照明明协协会会决决定定选选取取一一组组三三基基色色参参数数x、y、z，称作（，称作（x、y、z系统）。任何一种颜色系统）。任何一种颜色Q在这种系统中表示为：在这种系统中表示为：Q=ax+by+cz 这这3个系数的相对值为：个系数的相对值为：x=y=z=称称作作色色坐坐标标。由由于于x+y+z=1，所所以以如如果果x、y确确定定了了，z值值也也就就定定了了，因此可以用一个平面图来表示各种颜色。因此可以用一个平面图来表示各种颜色。下下图

17、图给给出出了了这这种种颜颜色色坐坐标标图图。其其中中，给给出出了了各各种种颜颜色色的的位位置置，周周围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。来表征。4.色坐标颜色坐标图颜色坐标图u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：MgF2、ZnF2硫氧化物：Y2O2S：E

18、u用于电子束管钨酸盐：MgWO4硅酸盐：CaSiO3：Pb，Mn对于发光材料，要想得到有效的发光，大都要在这些材料中掺杂微量杂质。基质为半导体，需要一定的导电能力，应从施主、受主的角度选择杂质。掺杂的杂质在复合发光中发挥作用。基质为高阻半导体或绝缘体，需要从发光中心的角度选择杂质。掺杂的杂质包括过渡族元素、类汞元素、重金属及稀土元素。2.2 光电显示材料和器件的基本特性一、显示材料特性发光显示材料：利用光发射直接进行显示。(激励能量传输辐射可见光)考虑：发光材料的发光特性、易制备性、成本等受光显示材料：利用电场作用下材料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入射

19、光进行控制，即通过光交换进行显示。如：改变光的偏振态、选择性吸收等。考虑：材料光电特性变化的陡度、响应速度、功耗、电压等二、光电显示的分类三、显示器件的基本特征1）亮度 光通量（流明，lm）光源在单位时间发出的光量总和。光强（坎德拉，cd）光源在某一给定方向单位立体角内发射的光通量称为光源在该方向的发光强度。照度（勒克斯，lx）光源照射在被照射物体单位面积上的光通量。亮度（cd/m2）光源在某一方向的亮度=光源在该方向的光强/发光面在该方向上的投影表面积光效（流明/瓦，lm/W）光源的光效=光源发出的总光通量/光源消耗的电功率 显示器件的发光强度（发光面的明亮程度），指垂直于光束传播方向单位面

20、积上的发光强度。发光式显示器件和受光式液晶显示器件均采用亮度参数。但受光式、反射式显示器件以反射光的强度表示亮度。2）发光效率 指显示器件辐射出的单位能量(W)所发出的光通量，单位为lm/W。e.g.一般显示器件0.11.5lm/W，真空荧光显示110lm/W。3）对比度 表示显示部分的亮度和非显示部分的亮度之比。在室内照明条件下对比度达到5：1，基本上满足显示要求。4）分辨率 包括像元密度和器件包含的像元总数。CRT分辨率达到100110ppi(每英寸像元数)时，再提高有难度，因受电子束聚焦有限性和发光粉颗粒及发光效率等因素的影响。LCD分辨率已达到300ppi，还有潜力再提高。5）灰度 表

21、示屏上亮度的等级。以亮度的 倍的发光强度的变化划分等级。灰度越高，图像层次越分明，彩色显示中颜色更丰富，图像更柔和。6）响应时间、余辉时间 响应时间表示从施加电压到显示图像所需要的时间。切断电压后到图像消失所需要的时间称为余辉时间。发光器件和铁电液晶响应时间一般为微秒量级。视频图像显示要求响应时间和余辉时间加起来小于50ms才能满足帧频的要求。7）寿命和稳定性 发光显示器件初发始亮度衰减一半所需时间称为半寿命，一般即指寿命。受光显示器件的主要显示指标保持正常的时间为使用寿命。同时湿度、温度、紫外光等环境状态和稳定性是很重要的参数。8）色彩 显示颜色分为黑白、单色、多色、全色。显示颜色是衡量显示

22、器件性能优劣的重要参数。发光显示以红光、绿光、蓝光三基色加法混色得到CIE色度图舌形曲线上任意颜色。复合光光谱丰富程度取决于三基色发光光谱纯度和饱和度以及三基色发光像元的灰度级别。e.g.,CRT、LCD及PDP已可显示几百万种颜色，达到全色显示要求。液晶显示色彩靠背照明冷阴极灯白光和三基色滤光膜相匹配得到CIE色度图舌形曲线饱和区，实现了全色显示。9）视角 在受光式被动显示中，观察角度不同，对比度不同。在液晶显示中视角问题特别突出。由于液晶分子具有光学各向异性液晶分子长轴和短轴方向光吸收不同，因而引起对比度不同，但采用多种办法已解决了这个问题。在发光式主动显示中几乎不存在视角问题，因为像元就

23、是光辐射源，光空间分布是均匀的，视角大又均匀。10)工作电压和功耗 驱动显示器件所施加的电压为工作电压。工作电压与器件消耗电流的乘积为功耗。要求：工作电压低、功耗少，并容易与集成电路匹配。CRTLCDPDPFEDELDLED参数器件大屏幕 全色视角空间分辨率对比度 功耗工作电压表1 各种光电显示器件性能注：-优，-良，-差，-很差:LCD的指LCD直视显示大屏幕难，投影显示大屏幕容易2.3 2.3 发光显示材料发光显示材料电子束激发的发光材料阴极射线管CRTFED发光材料真空荧光显示VFD电场激发显示材料电致发光材料EL发光二极管LED等离子体显示（PDP）材料光致发光显示材料1.1858年，

24、盖斯勒在自制的玻璃管中阴极和阳极之间发现了稀薄气体放电现象。2.1875年，克鲁克斯经过几年的实验，证明阴极射线是由粒子组成的。3.1892年，舒斯特做了阴极射线实验，证实了阴极射线是由带负电的粒子组成的。1）阴极射线的发现4.1897年，英国汤姆逊测出阴极射线粒子的电荷与质量的比值，并且把射线中的粒子定名为电子发现电子。1.阴极射线管CRT2）阴极射线致发光过程u热阴极 阴极射线的电子在阳极电压的加速下，可以达到几到几万电子伏的能量u电离过程 高能电子束激发发光材料时，基质晶体吸收激发能，引起基质价带或者满带电子的电离；u电子和空穴的输运过程 产生的电子和空穴分别在晶体中扩散输运；u电子空穴

25、对复合发光过程v电子枪v聚焦系统v加速电极v偏转系统v荧光屏3）工作原理在电子枪中，阴极被灯丝间接加热至约2000时，阴极发射大量的电子，经加速、聚焦、偏转后轰击荧光屏上的荧光粉，发出可见光。电子束的电流受显示信号控制，信号电压高，电子束电流也越高，荧光粉发光亮度也越高。4）发光材料：CRT荧光粉+杂质uCRT荧光粉上百种，具有高的发光效率和各种发射光谱（可见区、紫外区和红外区）。10-8ss的余辉。制备CRT发光材料的原材料要求具有较高的纯度。即使有害杂质的含量极小，也会使发光性能有明显变化。例如，Fe、Co、Ni、Mn质量分数不超过110-7，Cu的质量分数不超过510-8。荧光粉由基质、

26、激活剂和助溶剂组成。荧光粉基质可分为：氧化物：ZnO：Zn硫化物：ZnS：Cu，Al；CdS硅酸盐：Zn2SiO4：Mn2+钨酸盐：CaWO4稀土化合物：Y2O3；YGdO2S：Tb为降低基质结晶温度，为降低基质结晶温度，促进晶体形成和长大，促进晶体形成和长大，并使激活剂易于进入晶并使激活剂易于进入晶格中而加入的物质。往格中而加入的物质。往往不含在最终产品中。往不含在最终产品中。u杂质杂质 激活剂：对某种特定的化合物起激活作用，使原来不发光或发光很微弱的材料发光，如ZnS:Ag共激活剂：与激活剂协同激活基质的杂质，掺入后有利于发光中心的形成，称为共激活剂，如ZnS：Cu，Cl敏化剂：能够将所吸

27、收的能量传给发光中心，有助于激活剂引起的发光，使发光亮度增加，称为敏化剂，如YF3：Yb，Er猝灭剂：损害发光性能，使发光强度降低的杂质。如Fe、Co、Ni等惰性杂质：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，如碱金属、碱土金属等。5）典型荧光和磷光材料u 日光灯用磷光材料 日光灯是磷光材料的最重要应用之一。激发源是汞放电产生的紫外光，磷光材料吸收这种紫外光，发出“白色光”。Hg白光玻璃壳磷光体料涂层185nm254nm日光灯的构造示意图灯用磷光材料的组成常用的基质晶体有两类：(1)离子键的绝缘材料，例如Cd2B2O5、Zn2SiO4、3Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2等。在这

28、些材料中，相应激活离子有一套不连续的能级，并且它们受到基质晶体环境定域的影响而有所修正。(2)共价性的半导体化合物ZnS等。对这类材料，基质的能带结构会由于加入激活剂离子伴随的定域能级而有所改变。例如，分别掺杂Ag+、Sb3+和Eu2+离子的ZnS磷光体由于激活剂不同，而产生特征的光谱和颜色，(发射光谱略），对应的电子跃迁如下：离子 基态能级 激发态能级Ag+4d104d95pSb3+4d105s24d105s5pEu2+4f74f65d在荧光灯中广泛应用的磷光体材料是双重掺杂了Sb3+和Eu2+的磷灰石。基质Ca5(PO4)3F中掺入Sb3+发蓝荧光，掺入Mn2+后发桔黄色光，两者都掺入发出

29、近似白色光。用氯离子部分取代氟磷灰石中氟离子，可以改变发射光谱的波长分布。以这种方式小心控制组成比例，可以获得较佳的荧光颜色。表表1 某些灯用磷光体某些灯用磷光体磷磷光光体体 激激活活剂剂 颜色颜色Zn2SiO4 Mn 绿色绿色Y2O3 Eu 红色红色CaMg(SiO3)2 透透辉辉石石 Tl 蓝蓝色色CaSiO3 硅硅灰灰石石 Pb,Mn 黄桔色黄桔色(Sr,Zn)(PO4)2 Sn 桔色桔色Ca(PO4)2Ca(Cl,F)2 Sn,Mn “白色白色”u显示用荧光材料 电视机和计算机显示器等使用的荧光材料，就是阴极射线致发光材料。显象管用荧光材料的要求：发光亮度足够高；余辉时间要求足够短,可

30、见发光效率足够高；最后从工艺上还要求严格的颗粒度。这类材料又依黑白和彩色显像管分为“白色”发光材料和彩色发光材料。(1)“白色”发光材料 最早研究“白色”发光材料是一类单一组分的材料，主要有ZnSCdS:Ag,Au 和 ZnSCdS:P,As，但其效率低，没有得到实际的应用。后来又研制了硫氧化合物材料。目前广泛使用的是复合成分材料，例如：国产y7材料（Zn,Cd）S:Ag发黄色光光谱峰值560nm国产y8材料ZnS:Ag发蓝色光光谱峰值453nm国产y26材料y7+y8发白色光光谱峰值455nm,558nm 此外，还开发出硅酸盐和硫氧化物材料，如:发黄色光材料（Zn,Be）2SiO4:Mn和发

31、蓝色光材料（Ca,Mg）SiO3:Ti等。（2）彩色发光材料彩色电视机显像管用发光材料有红、绿、蓝三种成分组成。为了最佳传送颜色，三种成分的色坐标应当最大可能地接近色坐标图中各自相应的顶角位置。稀土型发光材料近年来发展极快、具有前途的一类阴极射线发光材料材料。特点：稀土型材料既能承担激活剂的作用，也能作为发光材料的基质；具有极短余辉、颜色饱和度和性能稳定的特点；并且能够在高密度电子流激发下使用。因此在彩电显像管中得到广泛使用。基质材料：红色钒酸盐YVO4：Eu、Y2O3:Eu及Y2O3S:Eu。激活剂：绿光：3价稀土离子Tb3+、Ho3+、Er3+作为激活剂蓝光：ZnS:Ag，YVO4：Tm，

32、Eu2+作为激活剂的硼酸锶、硼酸钙、锶的固溶体以及硼磷酸钙、锶、钡等效率较高的是Sr3(PO4)2:Eu表2 彩色显像管用发光材料示例颜颜色色 组组 成成 色色 度度 主主峰峰波波长长（nm）能能量量效效率（率（%）10%余辉余辉 xy红红Zn3(PO4)2:Mn0.6650.3356636.727ms（Zn,Cd）S:Ag0.6650.33667016.0YVO4：Eu0.6640.3306207.11-3msY2O3:Eu0.6400.3526108.71-3msY2O3S:Eu0.6480.34462613.00.5-2ms绿绿Zn2SiO4:Mn0.2180.7125257.425ms

33、Zn,Cd）S:Ag0.3000.60053519.80.05-2ms（Zn,Cd）S:Al0.3570.59653518.415-30sZnS:Cu,Al0.2430.63353021.815-30sZnS:Cu,Au,Al0.3320.60253515-30s蓝蓝ZnS:,Ag0.1460.05745020.45-15sCRT典型发光粉特性6）制备工艺（以Y2O3:Eu为例）a)配料：按分子式（Y0.96Eu0.04）2O3配好料，与适量助熔剂（NH4Cl，Li2SiO3）混磨均匀，装入石英坩埚或者氧化铝坩埚中，在1340下灼烧12h(温度可根据助熔剂的情况适当选择，时间可视装料多少而定

34、)，高温出炉，冷至室温，在253.7nm紫外光激发下选粉，用去离子水洗至中性，然后包膜处理。b)包膜处理：将粉放入硅酸钾和硫酸铝溶液中，混合搅拌几分钟后，静置澄清，倒去沉淀，水洗23次，再加入GeO2饱和溶液充分搅拌(不水洗)。k2OxSiO2中x=1.5左右。反应式如下：k2SiO3+Al2(SO4)3Al2(SiO3)3Al2(SiO3)3沉淀在Y2O3:Eu颗粒表面上，GeO2的作用是防止Y2O3:Eu在感光胶中水解。c)涂屏：选定材料后，还要把它粘附在玻壳上。在涂屏时要选择合适的工艺，以保证材料有尽可能好的二次特性。粘附前的材料特性称为一次特性，粘附后的特性称为二次特性。二次特性包括涂

35、敷性能及色再现性。涂敷性能是指粉浆的流动性，颗粒的分散性、粘着力、感光性，三色荧光粉的污染及粉浆的稳定性；色再现性是指经过制管及各种条件实验后，屏的亮度、色度、余辉及电流特性。u 在涂屏中要选择合适的胶粘液及粒度适当的发光粉。i)发光粉微粒的尺寸在110m之间，这使得微粒和相互包围它的液体相互吸附，能较长时间悬浮在液体中，发光粉的微粒与有机化合物液体组成粘稠的悬浮液。ii)胶粘液必须与发光粉无任何有害反应。它的有机物必须在400下烧尽，不残留有害物质。它的粘结性能要好，与发光粉表面接触时，表面张力要小，以保持良好的浸润。d）镀铝膜 在涂屏之后，要镀上一层铝膜。目的：使屏在工作时所积累的多余电荷

36、能够借助铝膜传导走。为使铝膜的镀层平滑，在镀铝前，先在发光粉涂层上沉积一层有机化合物的薄膜。这层有机膜在制屏工艺完成后，再通过加温将它烧掉。2.FED发光材料1）发光机理属于电子射线激发发光（阴极发光）。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（FED由此而来，这种阴极称为冷阴极）。FED把无数微米尺寸的微小阴极（发射极）配置在平面上，阴极和阳极之间的间隔为200微米至几毫米左右，从而最终实现平板显示。FED基本结构2）FED发光材料FED采用矩阵式逐行扫描方式，寻址时间较长（几十微秒），使发光粉库仑负载较大，容易发光饱和并老化。满足FED使用条件的荧光粉：ZnO:Z

37、n、ZnCa2O4（蓝光）、ZnCa2O4:Mn（绿粉）、Gd2O2S:Tb（绿粉）、Y2O2S:Eu（红粉）。缺点：亮度偏低，开发新型FED发光粉成为当务之急。项目项目CRTFED阴极类型阴极类型热阴极热阴极冷阴极冷阴极加速电压加速电压1530kV3008000V扫描方式扫描方式逐点扫描逐点扫描矩阵式逐行扫描矩阵式逐行扫描寻址时间寻址时间ns量级量级几十几十s3）FED与CRT的对比26寸FED电视FULLHD展示（Sony）4）特点图像质量好，耗能低，体积薄。3.真空荧光显示（VFD）VFD(vacuumfluorescencedisplay)是1967年由伊势电子工业公司开发的光电显示器

38、件，它是以数十伏电压的、低速的数十毫安的电子流激发荧光体。用途：作为文字和数字的显示器件，用于家电产品、AV产品、车载设备和测试设备等方面。VFD基本结构1-表面玻璃；2-阴极；3-栅极；4-荧光体；5-阳极；6-玻璃衬底基本原理：当对涂有氧化材料的阴极加热时，它在近650度时发射热电子，热电子被金属网栅加速后，再轰击阳极的荧光物质发光。结构：玻璃面板阴极栅极阳极（涂荧光物质）玻璃衬底灯丝：直径为1020m的钨丝用热电子发射率高的氧化物涂覆栅极：开孔度大的筛网状极薄不锈钢板荧光材料：ZnO：Zn（蓝绿色）三种电子束激发的发光材料显示的比较：加速电压：CRT：1530kV；FED：300V8kV

39、VFD：20100V电流密度：CRT：低10mA/cm2；FED：高100mA/cm2阴极结构和材料：CRT：热阴极；FED：平面阵列的微尖冷阴极，金刚石薄膜、硅单晶、金属钼等。发光材料：CRT和FED所用材料范围较广，VFD用磷光材料，主要用ZnO:Zn应用：CRT和FED范围较广，VFD多用于数字和文字FED和VFD为平板显示。4.电致发光(EL)显示材料无机电致发光材料有机电致发光材料粉末发光材料薄膜发光材料发光二极管1）无机电致发光材料在直流或者交流电场作用下，依靠电流和电场的激发使材料发光的现象，又称场致发光。相应的材料称为电致发光（场致发光）材料。v1920年德国学者古登和波尔发

40、现，某些物质加上电压后会发光，人们把这种现象称为电致发光或场致发光（EL）。v1936年，德斯垂将ZnS荧光粉浸入蓖麻油中，并加上电场，荧光粉便能发出明亮的光。v1947年美国学者麦克马斯发明了导电玻璃，多人利用这种玻璃做电极制成了平面光源，但由于当时发光效率很低，还不适合作照明光源，只能勉强作显示器件。v70年代后，由于薄膜技术带来的革命，薄膜晶体管（TFT）技术的发展场致发光（EL）在寿命、效率、亮度、存储上的技术有了相当的提高。使得场致发光（EL）成为在显示技术中最有前途的发展方向之一。按结构分，无机电致发光材料包括：(1)粉末发光材料：ZnS:Cu基质发光粉光谱覆盖可见光波段，只有极少

41、部分作为平面发光光源应用在LCD的背照光中。(2)薄膜发光材料材料：基质材料：ZnS,CaS,SrS,Zn2SiO4,ZnGa2O4 激活剂：Mn,Tb,Sm,Tm,Eu,Ce绝缘层：防止发光层绝缘被破坏，给发光层加上稳定强电场。发光机理：在绝缘层和发光层的界面上因晶格失配和晶格缺陷而产生界面能级，被这些界面能级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。进入导带内的电子又在强电场的作用下加速，并以很大的动能与发光中心原子碰撞，结果发光中心被激发到高能量状态，当它回到基态时发出光来。电致发光（EL）按激发过程的不同分为两大类：本征型电致发光：荧光粉中的电子或由电极注入的电子在外加

42、强电场的作用下在晶体内部加速，碰撞发光中心并使其激发或离化，电子在回复到基态时辐射发光。高电场注入式电致发光：直接由装在晶体上的电极注入电子和空穴，当电子与空穴在晶体内再复合时，以光的形式释放出多余的能量。注入式电致发光的基本结构是结型二极管（LED）低电场第一类大致分成：交流薄膜电致发光（ACTFEL）;直流薄膜电致发光（DCTFEL）；交流粉末电致发光（ACEL）;直流粉末电致发光（DCEL）。交流高场薄膜电致发光（TFEL）ACTFEL结构示意图1金属电极：Al2绝缘层：Y2O33发光层：ZnS：Mn4绝缘层：Y2O35透明电极：ITO6玻璃衬底目前的ACTFEL多采用双绝缘层ZnS:M

43、n薄膜结构。器件由三层组成，如图所示。器件由三层组成，发光层夹在两绝缘层间，起消除漏电流与避免击穿的作用。掺不同杂质则发不同的光，其中掺Mn的发光效率最高，加200V，5000Hz电压时，亮度高达5000cd/m2。ACTFEL优点是寿命长（大于2万小时），亮度高，工作温度宽（-55+125）缺点是只有掺Mn的发光效率高，且为橙黄色。对全色显示要求的三基色，研制高效的发光材料是当今研究的课题。EL器件目前已被应用在背光源照明上，在汽车、飞机及其他设备仪器仪表、手机、手表、电子钟、LCD模块、笔记本电脑显示器等方面获得应用。也作为交通安全标志，公司标志，出口通道等发光指示牌上的发光显示器件。交流

44、粉末电致发光ACEL结构图交流电致发光是目前高场电致发光的主流。ACEL结构如图所示。它是将电致发光粉ZnS:Cu，Cl或（Zn，Cd）S:Cu，Br混合在有机介质（环氧树脂和氰乙基醣的混合物）中，两端夹有电极，其中一个为透明电极。另一个是真空蒸镀铝或银电极，构成一个EL。实质上，ACEL是大量几微米到几十微米的发光粉状晶体悬浮在绝缘介质中的发光现象，也称德斯垂效应。ACEL所加的电压通常为数百伏。发光强度可达3.4105cd/m2，总体发光亮度约40cd/m2功率转换效率为1%，寿命约1000小时。几种电致发光粉特性发光二极管（Light-Emitting Diode，LED）是一种半导体固

45、体发光器件。它是利用固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过的载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，发出某种颜色的光或者白光。LED照明产品就是利用LED作为光源制造出来的照明器具。2）发光二极管LEDuLED发光原理 发光二极管一般由-族化合物，如GaAs（砷化镓）、GaP（磷化镓）、GaAsP（磷砷镓）等半导体制成的，其核心是PN结。因此它具有一般PN结的特性，即正向导通、反向截止、击穿特性。此外，在一定条件下，它还具有发光特性。在正向电压下，电子由N区注入P区，空穴由P区注入N区。进入对方区域的少数载流子（少子）一部分与多数载流子（多子）复合而发光，如右图所示。假设发光是在P区中

46、发生的，那么注入的电子与价带空穴直接复合而发光，或者先被发光中心捕获后，再与空穴复合发光。除了这种发光复合外，还有些电子被非发光中心捕获，而后再与空穴复合，每次释放的能量不大，不能形成可见光。发光的复合量相对于非发光复合量的比例越大，光量子效率越高。由于复合是在少子扩散区内发光的，所以光仅在近PN结面数m以内产生。理论和实践证明，光的峰值波长与发光区域的半导体材料禁带宽度有关，即1240/Eg（nm）式中Eg的单位为电子伏特（eV）。若能产生可见光（波长在380nm紫光760nm红光），半导体材料的Eg应在3.261.63eV之间。比红光波长长的光为红外光。现在已有红外、红、黄、绿及蓝光发光二

47、极管，但其中蓝光二极管成本、价格很高，使用不普遍。uLED优点v高节能（高效率，低电压，低电流）：直流驱动，超低功耗（单管0.03-0.06 瓦）电光功率转换接近100%，相同照明效果比传统光源节能80%以上。是能量转换效率较高的固体发光器件。v长寿命：固体冷光源，环氧树脂封装，灯体内也没有松动的部分，坚固可靠，不存在灯丝发光易烧、热沉积、光衰等缺点，使用寿命可达6万到10万小时，比传统光源寿命长10倍以上。v小型化：发光芯片几百微米v应用非常灵活，可以做成点、线、面各种形式的轻薄短小产品uLED优点v利环保：环保效益更佳，光谱中没有紫外线和红外线，既没有热量，也没有辐射，眩光小，而且废弃物可

48、回收，没有污染不含汞元素，冷光源，可以安全触摸，属于典型的绿色照明光源。v高新尖：与传统光源单调的发光效果相比，LED光源是低压微电子产品，成功融合了计算机技术、网络通信技术、图像处理技术、嵌入式控制技术等所以亦是数字信息化产品是半导体光电器件“高新尖”技术，具有在线编程、无限升级、灵活多变的特点。v多变幻：利用红、绿、篮三基色原理，在计算机技术控制下使三种颜色具有256级灰度并任意混合，即可产生25625625616777216种颜色，形成不同光色的组合变化多端，实现丰富多彩的动态变化效果及各种图像。u高效率发光应自备的三个条件：1)容易控制材料的导电性材料必须容易做成n型及p型，容易与Al

49、Au等金属形成良好的欧姆接触-族材料导电性较好，且容易做成p型或n型结。-族材料的导电性不好控制。2)对发射光的透明性好当能量低于吸收端时，光可以透过；当能量高于吸收端时，不能透过。禁带宽度可通过三元系或四元系混晶方法在一定范围内可调。3)发光跃迁几率高具有高效率的发光中心或复合发光；非辐射复合小（纯度高，晶体完整性好）直接跃迁等电子陷阱束缚激子发光间接跃迁4）材料要能生长成单晶，稳定性好，价格便宜，能规模化生产。5）发光效率降至初始值一半的时间大于105h；6）根据发光波长要求选择Eg发光在可见光区，Eg较大，3.26eVEg1.63eV。常用LED材料u二元化合物：GaP（红绿）、GaN

50、红绿蓝黄白）、GaAs和SiC等；u三元化合物：控制混晶的成分比可以改变禁带宽度，实现多色化，AlxGa1-xAs、GaAs1-xPx、In1-xGaxP和In1-xAlxP等；u四元化合物：可以在相当宽的范围内控制禁带宽度与晶格常数，如InGaAsP在室温下能实现0.553.40m波长的发光。LED的制造工艺结型发光器件工艺和一般半导体器件相似，但由于它是发光器件，因此必须充分注意其电学、光学特性的统一效果。半导体发光材料通常是用外延材料制作的，GaAsP基片是由气相外延制造的，单晶晶片上切割下来的，而GaP和AlGaAs则采用的液相外延技术。相应的器件制作都是采用n型掺杂的材料，用Zn扩