光电材料
——第七组
主讲人：刘丽鹤
目录
概念
原理 种类 用途
光电材料
是指用于制造各种光电设备பைடு நூலகம்材料
（主要包括各种主、被动光电传感器光信息处理和存储装置及光通信等）
光电转化性能原理
光作用下的电化学过程即分子、离子及固体物质因 吸收光使电子处于激发态而产生的电荷传递过程.
以n 型单晶硅为例, 当两个具有不同功函数的材料接触时, 由于它们的化学势 不同, 在界面附近会发生相互作用.由于ITO(In2O3 :SnO2)透明导电玻璃是良导 体;它们接触时, 电子从单晶硅一侧流向ITO 一侧, 直至达到平衡状态;这时硅 带正电形成电子耗尽层, 能带向上弯曲。 对于p 型半导体, 光生电子移向表面, 光生空穴移向体相, n 型半导体则与之 相反.
• 最近研究较多的耐高温红外透过材料有 镁铝尖晶石、兰宝石、氧 化钇、镧增强氧化钇和铝氧氮化物ALON 等。镁铝尖晶石 是 优先选用的性能优良的耐高温红外透过材料，它可透过200nm到6μm的 紫外、可见光及红外光。单晶监宝石也是一种耐高温红外材料，它可 透过从远紫外0.17μm到6.5μm的红外光，用新研制的热交换法晶体生 长过程可以制造直径达25cm的大尺寸蓝宝石。氧化钇和镧增强氧化 钇的透过波长为8μm，在氧化钇中掺入氧化镧，材料强度提高30%，光 学特性不变。由于高温下具有很高的硬度，所以它具有很好的抗冲击、 抗浸蚀性能。严格的说到目前还没有一种理想的材料能完全满足上述要 求。但包括上述材料在内的不少材料具有较理想的综合性质。
频带宽
• 频带的宽窄代表传输容量的大小。载波的频率越高，可以传 输信号的频带宽度就越大。目前单个光源的带宽只占了其中 很小的一部分，采用先进的相干光通信可以在30000GHz范围 内安排2000个光载波，进行波分复用，可以容纳上百万个频 道。
损耗低
• 在同轴电缆组成的系统中，最好的电缆在传输800MHz信号时， 每公里的损耗都在40dB以上。相比之下，光导纤维的损耗则 要小得多，传输1.31um的光，每公里损耗在0．35dB以下若 传输1.55um的光，每公里损耗更小，可达0．2dB以下。这就 比同轴电缆的功率损耗要小一亿倍，使其能传输的距离要远 得多。 • 此外，光纤传输损耗还有两个特点，一是在全部有线电视频 道内具有相同的损耗，不需要像电缆干线那样必须引入均衡 器进行均衡；二是其损耗几乎不随温度而变，不用担心因环 境温度变化而造成干线电平的波动
分子器件
有机发光二极管
有机电致发光的研究工作始于 20 纪 60 年代, 1987 年柯达公司 的邓青云等人采用多层膜 结构，才首次得到了高量子效率、高 发光效率、高亮度 和低驱动电压的有机发光二极管（OLED）。 这一突 破性进展使 OLED 成为发光器件研究的热点。 与传 统的发光和显示技术相比较，OLED 具有驱动电压 低、体 积小、重量轻、材料种类丰富等优点，而且容易 实现大面积制 备、湿法制备以及柔性器件的制备。 近年来，OLED 技术飞速 发展。 2001 年，索尼 公司研制成功 13 英寸全彩 OLED 显示器，证 明 了 OLED 可以用于大型平板显示；2002 年，日本 三洋公司 与美国柯达公司联合推出了采用有源 驱动 OLED 显示的数码相 机，标志着 OLED 的产 业化又迈出了坚实的一步；2007 年，日 本索尼公司推出了 11 英寸的 OLED 彩色电视机,实 现 OLED 在 中大尺寸、特别是在电视领域的应用,有机晶体管材料和器件
• 按用途分类
光电转换材料：根据光生伏特原理，将太阳能直接转换成电能 的一种半导体光电材料 光电催化材料：在光催化下将吸收的光能直接转变为化学能的 半导体光电材料 它使许多通常情况下难以实现或不可能实现的反 应在比较温和的条件下能够顺利进行
•
按组成分类
有机光电材料：由有机化合物构成的半导体光电材料 主要包 括酞青及其衍生物、卟啉及其衍生物、聚苯胺、噬菌调理素等。 无机光电材料：由无机化合物构成的半导体光电材料。 有机 光电配合物：由中心金属离子和有机配体形成的光电功 能配合物主要有 ，联吡啶合钌类配合物等 。
激光材料
激光技术与原子能、半导体、计 算机并称二十世纪四大发明. 自1960 年第一台红宝石激光 器问世以来, 人们对激光材 料进行了广泛的研究与探索. 按激活离子分类, 产生了两大类 别的激光材料与器件： 3dn 电子构型的过渡金属离子 类激光材料和4f n 电子构型 的稀土离子类激光材料.
目前固体激光器正寻求在可见和近可见光谱范围波长可调，为此而发现的可调谐 激光晶体已有30多种，其中，Cr3 离子掺杂新晶体具有较高受激辐射截面和低饱 和能量密度， 波长范围是：Cr3 :LiCaAlF3为0.72～0.84μm、Cr3 :LiSrAlF6为0.78～1.01μm， 特别是Cr:LiSAF，它的饱和能量密度为5J/cm2，在 激光调谐范围，荧光寿命、 激光效率、热透镜效应 等方面具有良好的性能。
有机光电材料
是一类具有光电活性的有机材料，广泛应用于有机发光二极管、 有机晶体管、有机太阳能电池、有机存储器等领域。有机光电材 料 通常是富含碳原子、具有大π 共轭体系的有机分 子，分为小 分子和聚合物两类。 与无机材料相比， 有机光电材料可以通过溶液法实现大面积制 备和 柔性器件制备。此外，有机材料具有多样化的结构 组成和 宽广的性能调节空间，可以进行分子设计 来获得所需要的性能， 能够进行自组装等自下而 上的器件组装方式来制备纳米器件和
多种工作方式工作的优点，但该材料也存在化学稳定性差、难于制成大尺寸单晶、大面积均匀性差等缺 点
红外透波材料
• 目前，在中红外波段采用的红外透过材料有锗盐玻璃、 人工多晶锗、氟化镁、人工蓝宝石和氮酸铝等，特别是 多晶氟化镁，被认为是综合性能比较好的材料。远红外 材料是红外透过材料当前研究发展的重点方向之一，国 外已采用ZnS作为远红外窗口和头罩材料，如美国的 LANTRIRN红外吊舱窗口，Learjel飞机窗口等。
红外/毫米波双模材料（红外透波材料的发展方向）
• 这是为适应红外/毫米波双模复合材料制导技术的需要。 • 目前，还没有一种材料能满足红外/毫米波双模材料既要
有高的远红外透过率又有小的介电常数和损耗角正切的要
求。高性能的红外/毫米波双模材料尚待进一步研究发展。 • 红外材料的应用： 包括各种 导弹的制导、红外预警（包括探测、识别和跟 踪、预警卫星、预警飞机、侦察机）、观察瞄准（高能束 拦截武器等）。
• 工作性能可靠
组成该系统的设备越多，发生故障的机会越大可靠性小。因为光纤 系统包含的设备数量少(不像电缆系统那样需要几十个放大器)，可靠性自 然也就高，加上光纤设备的寿命都很长，无故障工作时间达50万～75万小 时，其中寿命最短的是光发射机中的激光器，最低寿命也在10万小时以上。 故一个设计良好、正确安装调试的光纤系统的工作性能是非常可靠的。
一是开发出具有先进光捕获能力的薄膜硅太阳能电 池；二是在只有4微米厚的微晶吸收层上实现了每 平方厘米34.1毫安的光电流密度。
佐井田村指出，太阳能电池只要暴露在光照、湿度、 温度等条件下，转换效率就会发生一定程度的衰减， 因此大多数太阳能电池都通过“初始”效率来进行 评价。如果电池是像晶体硅这样的材料，性能上还 相对稳定；而如果涉及无定形硅即非晶硅，情况将 完全不同，在经过暴晒后其导电性能会显著衰退， 这种特性被称为SWE效应。
硅薄膜太阳能电池转化率世界纪录被刷新
硅薄膜太阳能电池的发展史年代电池
1954 年单晶硅太阳能电池 1956 年GaAs 太阳能电池 1958 年装备卫星的太阳能电池 1972 年多晶硅、GdTe 太阳能电池 1973 年石油危机 1975 年P -N 控制容量的a -Si 太阳能电池 1976 年a -Si 太阳能电池 1979 年用连续的、分离的反应室法制备集成型a-Si 太阳能电池 1980 年为电子计算器供电的a -Si 太阳能电池 1981 年a -SiC/ a -Si 异质结太阳能电池 1988 年全球环境期刊报导与建筑材料相组合的a-Si 太阳能电池 1990 年装备在飞越美国大陆的轻型太阳能飞机上的a-Si 太阳能 电池
• 通常 光纤 与 光缆 两个名词会被混淆。多数光纤在 使用前必须由几层保护结构包覆，包覆后的缆线即被 称为光缆。光纤外层的保护层和绝缘层可防止周围环 境对光纤的伤害，如水、火、电击等。光缆分为：缆 皮、芳纶丝、缓冲层和光纤。光纤和同轴电缆相似， 只是没有网状屏蔽层。中心是光传播的玻璃芯
光纤材料优势
• 耐高温红波透过材料（红外透过材料发展的另一个重要方向）
• 高速飞行器在飞行过程中会对红外窗口和罩材产生高温、高压、强烈的 风砂雨水的冲刷和浸蚀，影响红外透过材料的性能，因此需要一系列新 型的理想新材料。这些条件下使用的理想材料从室温到1000℃应具有下 列特性：在使用波段内具有高透过，低热辐射、散射及双折射，高强度， 高导热系数，低热膨胀系数，抗风砂雨水的冲击和浸蚀，耐超声波辐射 等。
• 按尺度分类
纳米光电材料：是指颗粒尺度介于1-100nm 之间的光电材料 块体光电材料：是指颗粒尺度大于 100nm的光电材料.
有机电子与信息显示国家重点实验室培育基地、江苏省柔性电子重点实验室、 南京工业大学先进材料研究院黄维院士领衔的IAM团队在有机合成材料中成功 观察到这种长余辉现象，研制出纯有机的“夜明珠”。相关成果在国际顶级学 术期刊《自然—材料》(Nature Materials)上发表，引起了业界广泛关注。并将 发光持续时间延长至56秒，从而研制出世界上首例室温有机长余辉发光材料。
光纤材料
• 光纤是光导纤维的简写，是一种由玻璃或塑 料制成的纤维，可作为光传导工具。传输原 理是‘光的全反射”。 • 微细的光纤封装在塑料护套中，使得它能够 弯曲而不至于断裂。通常，光纤的一端的发 射装置使用发光二极管（LED）或一束激光将 光脉冲传送至光纤，光纤的另一端的接收装 置使用光敏元件检测脉冲。 • 在日常生活中，由于光在光导纤维的传导损 耗比电在电线传导的损耗低得多，光纤被用 作长距离的信息传递。