光电功能材料课程-12 共44页
【精品课件】有机光电功能材料
有机导电材料
2000年诺贝尔化学奖得主
美国物理学家 Heeger
美国化学家 MacDiarmid
日本化学家 Shirakawa
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
1977年，发现掺杂碘的聚乙炔具有金属的特性
目前已发现的具有导电功能的有机高分子材料有：聚乙 炔（PA）、聚吡咯(PPY)、聚噻吩(PTH)、聚对苯乙烯(PPV)、 聚苯胺(PANI)以及他们的衍生物。
目前有机太阳能电池的光电转换效率已经达到10%。
Nature Materials 2009(8):208-211
有机太阳能电池优点：
1、制备工艺简单，廉价； 2、制造面积大； 3、良好柔韧性等。
OLED显示技术
OLED，即有机发光二极管。不同于传统的需背光灯 的LCD显示方式，它是通过有机材料自身发光来达到显 示目的。因而它能显著的节省电能。
降低光伏电池成本主要有三条途径：
1、提高光电转换效率：减少缺陷、背电极、钝化、 减反层等；
2、寻找廉价光伏材料：化合物半导体、染料敏化 TiO2、有机半导体等；
3、改善太阳能电池结构。
通过改善结构降低光伏电池成本的方法：
Fermi-golden rule
Science 2008(321):226-228
其中聚乙炔的所能达到的电导率在已发现的导电聚合物中 是最高的，达到了105S/cm量级，接近Pt和Fe的室温电导率。
有
1、能源（二次电池、太阳能电池、固体电池）
机
2、光电器件
导 电
3、晶体管
材
4、发光二极管
料 的 应
5、传感器 6、电磁屏蔽
用
7、隐身技术等等
三、我们实验室能做的工作
有机光电功能材料讲座第三讲121页PPT
Functional Materials
Magnetic materials Semiconductor spintronics Fuel cells and related technologies
Terahertz technologies （太赫，相当于百亿赫）
Piezoelectric, pyroelectric and ferroelectric materials Gallium nitride materials, devices and applications DNA nanofabrication Direct write materials Organic polymer electronics – the next revolution
6
塑料晶体管
Printable transistor and its building blocks
7
Highlight in materials science
The smallest T.V. screen in the would.
8
有机电子学 Organic electronics
Organic Light Emitting
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Nano-Materials 纳米材料
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New Foresight Report on Functional Materials
Six new foresight reports have been published by the IOM's Foresight Materials Panel, including "Functional Materials - Future Directions" and, "Smart Materials for the 21st Century". NPL have contributed to the Functional Materials report which includes recommendations on the following areas -
《光电材料》课程教学大纲(本科)
《光电材料》课程教学大纲课程编号：课程名称：光电材料英文名称：Photoelectric Materials课程类型：专业课程课程要求：选修学时/学分：32/2 （讲课学时：32实验学时：0上机学时：0）适用专业：功能材料一、课程性质与任务光电材料是为功能材料专业开设的专业课程之一，本课程在教学内容方面着重介绍光电材料的物理基础，光电效应、光电转换原理及相应光电传感材料的工作原理和应用范围，重点叙述了与光电显示材料、光纤通信材料、光电探测器材料、激光材料等相关的基本理论和制备方法，并介绍常用光电传感器件的结构组成、工作原理和性能特点。
目的是使学生通过这门课程的学习，能够掌握光电材料领域的一些基本理论、概念、制备方法和应用原理，增进对材料科学的进一步认识和了解，开拓学生视野，启迪学生专业设计新思路。
二、课程与其他课程的联系光电材料是新材料领域的一个重要组成部分。
要求学习本课程之前应修完大学物理、材料科学基础、功能材料制备工艺学和功能材料物理基础等课程。
三、课程教学目标1.学习光电材料基本理论知识，了解光电材料的研究进展、未来发展方向及其潜在的应用领域。
（支撑毕业能力要求1, 3, 4, 12）2.掌握光电材料的物理基础以及典型光电材料（如光电显示材料、光电传感材料等）的结构组成、性能特点和应用领域；（支撑毕业能力要求1, 3, 4, 5, 7）3.学习光电材料制备的基本方法和相关工艺理论，具有光电材料器件组成、结构和设计生产实施的工程实验能力，能够对设计和实验结果进行综合分析。
（支撑毕业能力要求3, 4, 5, 7, 12）四、教学内容、基本要求与学时分配五、其他教学环节（课外教学环节、要求、目标）无六、教学方法本课程以课堂教学为主，结合大作业+课堂发表、自学及测验等教学手段和形式完成课程教学任务。
在课堂教学中，通过讲授、提问、讨论、演示等教学方法和手段让学生理解光电材料的基础理论体系、主线，掌握光电材料的基本概念，基本原理和各种光电器件的结构和性能应用，强调光电材料的实际工程应用背景以及先进制备方法和技术在光电材料生产中的应用。
《光电功能材料》教学大纲
光电功能材料
大纲号：04050901-0 学分：3学时：48 执笔人：刘磊审订人：钱芸生
课程性质：学科基础课
一、课程的地位与作用
光电功能材料是电子科学与技术专业的学科基础课。
本课程所介绍的光电功能材料的分类、特点、成分、结构、性能、应用和发展动向，是电子科学技术的基础和必备知识，也是从事微电子技术、光电子技术、半导体物理与器件必不可少的基础课程。
通过本课程的学习，为将来解决有关光电材料领域中出现的有关问题和研制新型光电器件打下良好基础，为从事微电子技术和光电子技术打下基础。
二、课程的教学目标与基本要求
1. 教学目标
通过对光电功能材料的学习，使学生掌握基本的光电功能材料知识，主要包括光电功能材料的分类、特点、成分、结构、性能、应用和发展动向。
2. 基本要求
(1) 了解和掌握功能材料的分类和特点。
(2) 掌握光电功能材料的成分、结构和性能。
(3) 了解光电功能材料的应用和发展动向。
《光电功能材料与器件》课程教学大纲
《光电功能材料与器件》课程教学大纲《光电功能材料与器件》课程教学大纲课程代码（五号黑体）：MCHM3042（五号宋体）课程性质：专业必修课程授课对象：材料化学、功能材料等专业开课学期：总学时：54学时学分：3学分讲课学时：52学时实验学时：0学时实践学时：2学时主讲教师：杨晓明指定教材：王筱梅，《有机光电材料与器件》，化学工业出版社，2014年参考书目（五号黑体）5－20部左右（五号宋体）刘恩科，《半导体物理学》，电子工业出版社，2007年黄昆半，《导体物理基础》，科学出版社，1999年李晔，《光化学基础与应用》，化学工业出版社，2000年刘亟须，《物理光学基础教程》，北京理工大学出版社，2000年朱建国，《电子与光电子材料》，国防工业出版社，2007年刘云圻，《有机纳米与分子器件》，科学出版社，2010年李文连，《有机光电子器件的原理、结构设计及其应用》，科学出版社，2012年教学目的：（五号黑体）本课程为材料化学专业和功能材料专业的专业必修课。
通过本课程的学习使学生了解和掌握各种光电材料的基本原理、基本性质、制备技术，及光电子材料的现状及发展趋势有。
了解和掌握光电子器件相关理论与器件物理，掌握有机发光二极管、有机太阳能电池、有机场效应晶体管、生物传感器等分子材料器件的基本类型、结构、工作机理、电学特性、电学特性参数表征及其应用，为光电器件的研究、设计及应用奠定理论基础。
第一章物质吸收光谱与颜色（五号黑体）课时：2.5周，共8课时（五号宋体）教学内容第一节光的基本性质光的波粒二象性第二节电子跃迁一、基态与激发态分子的基态与激发态的性质比较二、电子跃迁类型有机分子电子能级跃迁三、跃迁允许与跃迁禁阻电子跃迁允许与跃迁禁阻示意图第三节紫外-可见吸收光谱一、吸收光的条件能量要大于一定值二、朗伯-比耳定律样品对光波的吸光能力与该溶液的浓度和吸收层厚度成正比。
三、紫外-可见吸收光谱在近紫外-可见-近红外光谱区域内，某一样品对不同波长单色光的吸收强度的变化情况，简称吸收光谱。
光电功能材料
教学重点和难点
知识点一：导电高分子种类
知识点二：离子导电材料的导电机理和特征值 知识点三： 离子导电材料的种类
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教学重点和难点
知识点一：导电高分子种类 知识点二：离子导电材料的导电机理和特征值 知识点三： 离子导电材料的种类
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（二）高分子传荷（CT）复合物
传荷复合物由电子给体D和电子受体A构成DA DA DA DA· · · · · · 型复合物，起初D和A都是低分子有机物， 以后发现了高分子传荷复合物 。在该复合物中，电子 由给体D转移到受体A，由于电荷转移的相互作用产生 的库仑力和范德华力而形成稳定的复合物。
料的电导率≤10-20 S/m，典型的绝缘体材料。
导电高分子是指电导率在半导体和导体范围内的 高分子材料，也是指其本身或经过“掺杂”后具有导 电性的一类高分子材料。 导电高分子材料与金属相比，具有重量轻，易成
型，电阻率可调节等诸多优点
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按照导电原理导电高分子材料可以分为 复合型和结构型两大类。
结构型导电高分子是指那些分子结构本 身能提供载流子从而显示“固有”导电性的 高分子材料。 复合型导电高分子是以绝缘聚合物为基 体，与导电性物质（如炭黑，金属粉等）通 过各种复合方法而制的的材料，它的导电性 是靠混合在其中的导电性物质提供的。
内容提要
重点：光电功能材料
内容
功能材料的概况 电功能材料 光功能材料 光电功能薄膜材料
目录
1. 功能材料发展概论 1.1 功能材料的定义与分类 1.2 功能材料的发展历史与趋势 2. 电功能材料 2.1 导电材料 2.2 半导体材料 2.3 介电材料（电介质） 2.4 铁电材料（强极性电介质） 2.5 压电材料（了解） 2.6 电功能材料的研究进展
《光电显示材》课件
电致发光（EL）：广泛应 用于汽车仪表盘、广告牌 等
激光显示：广泛应用于投 影仪、激光电视等
柔性显示：广泛应用于可 穿戴设备、智能手表等
3D显示：广泛应用于电影、 游戏、虚拟现实等领域
光电显示材料的原 理
光电效应：当光照射到某些物质上时，物质内部的电子吸收光子的能量，从低能级跃迁到高能级，产生电流的现 象。
主要竞争对手：三星、LG、京东方等 市场份额：三星、LG等国际巨头占据较大市场份额 技术水平：国际巨头在技术方面具有领先优势 价格竞争：国内厂商在价格方面具有一定优势
技术趋势：OLED、QLED等新 型显示技术将逐渐持续 增长
应用领域：光电显示材料在智 能手机、电视、汽车等领域的
应用将越来越广泛
竞争格局：市场竞争激烈，国 内外企业纷纷加大研发投入，
抢占市场份额
光电显示材料的未 来展望
量子点显示技术：具有高 色纯度、高亮度、长寿命 等优点
OLED显示技术：具有自 发光、高对比度、低功耗 等优点
柔性显示技术：具有可弯 曲、可折叠、轻便等优点
极管显示材料等
光电显示材料的性能直接影响 到电子设备的显示效果和能耗
LCD（液晶显示）
OLED（有机发光二极 管）
LED（发光二极管）
QLED（量子点发光二 极管）
E-ink（电子墨水）
MicroLED（微型发光 二极管）
液晶显示器（LCD）：广 泛应用于电视、电脑、手 机等电子产品
发光二极管（LED）：广 泛应用于照明、显示、信 号等领域
发展背景：随着科技的进步， 第一代光电显示材料逐渐无法 满足市场需求
主要特点：具有更高的亮度、 对比度和色彩饱和度
主要应用领域：电视、电脑、 手机等消费电子产品
光电功能材料课程
光电显示：利用光电功能材 料制作显示屏，如LED显示 屏、OLED显示屏等
光电通信：利用光电功能材 料进行光信号传输，如光纤 通信、光缆通信等
光电医疗：利用光电功能材 料进行医疗诊断和治疗，如 激光手术、光疗等
光电传感器：利用光电功 能材料进行环境监测和检 测，如烟雾报警器、气体 传感器等
PRT THREE
半导体光电功能 材料：如硅、锗、
砷化镓等
光致发光材料： 如荧光粉、磷光
粉等
光敏材料：如光 敏电阻、光敏二
极管等
光导材料：如光 纤、光导管等
光热材料：如太 阳能电池、热电
材料等
光磁材料：如磁 光材料、光磁记
录材料等
太阳能电池：利用光电功能 材料将太阳能转化为电能
光电探测器：利用光电功能 材料检测光信号，如光敏二 极管、光敏三极管等
Байду номын сангаас
色散：衡量材料对不同 波长光的折射能力差异
光吸收：衡量材料对 光的吸收能力
光散射：衡量材料对 光的散射能力
热导率：衡量材料传递热量的 能力
热膨胀系数：描述材料随温度 变化而膨胀或收缩的程度
热稳定性：材料在高温环境下 保持性能稳定的能力
热辐射性能：材料吸收和发射 红外辐射的能力
稳定性：材料在长时间使 用过程中保持性能不变的 能力
原理：利用高能 量的分子束轰击 单晶衬底，使其 表面原子蒸发，
形成单晶薄膜
特点：可以精 确控制薄膜厚 度和成分，适 合制备高质量
薄膜
应用：广泛应 用于半导体、 光电子等领域
优点：可以制 备多种材料， 包括半导体、 金属、氧化物
等
缺点：设备昂 贵，制备过程 复杂，需要精 确控制温度和
光电功能材料
1. 绪论
➢ 1.1 引言 ➢ 1.2 功能材料的特征和分类 ➢ 1.3 材料的制备
了解：功能材料的分类及常见材料制备方法。
材料的广泛应用
➢1.2 功能材料的分类
✓按用途分类：电子、航空、航天、兵工、建筑、医药、包 装等材料。 ✓按化学成分分类：金属、无机非金属、有机、高分子和复 合功能材料。 ✓按聚集态分类：气态、液态、固态（包括晶态、准晶态和 非晶态）、液晶态和混合态功能材料。
纳米材料的制备方法
气相法 按物质状态 液相法
气体中蒸发法 化学气相反应法 化学气相凝聚法 溅射法
固相法
气相法—化学气相凝聚法
气体中蒸发法的优点在于颗粒的形态容易控制，其缺陷在于可以得到的前驱体 类型不多；而化学气相沉积法正好相反．由于化学反应的多样性使得它能够得 到各种所需的前驱体，但其产物形态不容易控制．易团聚和烧结。所以如将以 上两种方法结合起来则能得到满意的结果。这就是化学气相凝聚技术，简称 CVC。
气体中蒸发法
电子束加热法 激光加热法
通电加热蒸发法
流动油面上真空沉积法
爆炸丝法
流动油面上真空沉积法
• 流动油面上真空沉积法(VEROS)的原理是在高真空中将原料用电子束 加热蒸发，让蒸发物沉积到旋转圆盘的下表面的流动油面，在油中蒸 发原子结合形成纳米微粒。
• 由该圆盘的中心向下表面供给的油，在圆盘旋转的离心力作用下，沿 下表面形成一层很薄的流动油膜，然后被甩在容器侧壁上。
•为了制备某些易氧化的金属的氧化物纳米微粒，可通过两种方法来实 现；一是事先在惰性气体中充入一些氧气，另一方法是将已获得的金属 纳米粉进行水热氧化。
气体中蒸发法的应用范围
• 气体中蒸发法主要是以制备金属的纳米微粒为主，也可以制备无机化 合物(陶瓷)、有机化合物(高分子)以及复合金属的纳米微粒。
光电功能材料课程课件
19世纪发明了电动机（1834年德国的雅可比发 明直流发动机，1888年南斯拉夫裔美国人特斯 拉发明了交流电动机），对材料的发展提出了 更高的要求。
有机及高分子材料的发展 1909年的酚醛树脂 1920年的聚苯乙烯 1931年的聚氯乙烯 1941年的尼龙
3. 光功能材料及器件 3.1. 激光材料 3.2．非线性光学材料 3.3. 发光材料 3.4 光电显示材料 3.4. 光纤材料 3.5. 光伏材料与太阳能电池 3.7. 纳米材料 3.8. 其他光功能材料
4. 光电功能薄膜的制备 4.1 功能膜材料特点 4.2 光电功能膜材料制备 4.3 典型光电功能膜
材料 Materials (用途) 能功Ma能）te材ri料al（s Functiona宏l观力学性
Cu, Fe等
结构材料：能承受外加载荷微而观保性持能其）形状和结
构稳定的材料。如建筑材料，机器制造材料等，
它具有优良的力学性能，在物体中起着“力能”
的作用
功能材料：美国Bell Lab,J A Morton 1965年
多功能材料：如铁电材料（电光、声光、磁光、 光致色变材料）
战机
舰船
导弹
高层 建筑
战车
火箭
材料的用途 （铝合金）
人造 卫星
高速列车
汽车
2. 功能材料的发展历史与趋势
旧石器时代：100万年前 新石器时代：1万年前
陶器：8000-9000年前
唐三彩：盛行 于唐代的陶器， 以黄、褐、绿 为基本釉色。
人面鱼纹彩陶盆(新石器时代·七千年前仰韶文化) 高16.5厘米 口径39.5厘米 20世纪50年代陕西省西安市半坡村出土 现藏中国历史博物馆
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刘磊 电话：84315437 Email:
目录
3. 光功能材料 3.1. 激光材料 3.2．非线性光学材料 3.3. 光纤材料 3.4 光电显示材料 3.5. 光伏材料及太阳能电池 3.6. 纳米材料 3.7. 液晶材料与LCD
液晶材料与液晶显示器
液晶的发现 液晶的分类 液晶的光电效应 液晶显示器的基本原理
（LCD: Liquid Crystal Display ）
液晶是自然界中一个神奇的 物相。自1888年发现以来，由 于它的神奇，成为生物学、化 学和物理学的一个重要研究领 域。
液晶在显示技术信息技术中的应用，
创造了一个五彩缤纷的世界，推动了
1969年2月日本NHK向国内进行了液晶发明报导，引起日本科技、工业界的极大重 视。日本将当时的大规模集成电路与液晶相结合，以“个人电子化”’市场为导向， 很快打开了液晶的应用局面。日本人从液晶于表、液晶计算器等低档产品起步，发 展到小尺寸无源矩阵黑白电视、非晶硅有源矩阵彩色电视，直到目前多晶硅有源矩 阵高分辨率彩色液晶显示器，不但促进了日本微电子工业的惊人发展，还一直领导 着世界液晶工业的发展方向，掌握着液晶工业最前端的技术。
莱尼泽反复确定他的发现后，向德国物理学家雷曼请教。当时雷曼建造了一座具 有加热功能的显微镜去探讨液晶降温结晶之过程，后来更加上了偏光镜，他并发现呈 浑浊状液体的中间具有和晶体相似的性质．故称为“液晶”。这是世界上首次被发现 的一种热致液晶：胆甾醇苯甲酸脂。由于历史条件所限，当时并没有引起很大重视， 只是把液晶用在压力和温度的指示器上。
从宏观整体上看，向列液晶由于其液晶分子重心混乱无序，可以象液体一样流 动，所有液晶分子的长轴大体指向一个方向，使向列液晶具有单轴晶体的光学特 性。而在电学上，又具有明显的介电各向异性。这样可以利用外加电场对具有各 向异性的向列液晶分子进行控制，改变原有分子的有序状态，从而改变液晶的光 学性能，实现液晶对外界光的调制，达到显示目的。向列液晶这种明显的电学、 光学各向异性，加上其粘度较小，使向列液晶成为显示器件中应用最为广泛的一 类液晶。
按照液晶的形成条件分类
溶致液晶
肥皂水就是溶致液晶，具有 双折射特性，使肥皂泡表面 具有彩虹色彩。
有机分子溶解在溶剂中，使溶液中溶质的浓度增加， 溶剂的浓度减小，有机分子的排列有序而获得液 晶．
构成液晶态的结构单元
１．棒状分子
２．盘状分子
３．由长Байду номын сангаас或盘状分子连接而成的柔性长链聚 合物
４．由双亲分子自组装而成的膜
信息技术的发展。液晶显示器件是众多平 面显示器件中发展最成熟、应用面最广、 已经产业化并且仍在迅猛发展着的一种显 示器件。
Liquid Crystal Display (LCD) 液晶显示器
夏普108英寸LCD TV 2019.01.09
1、液晶的发现与发展过程简介
1888年奥地利布拉格德国大学的植物生理学家斐德烈?莱尼泽（Friedrich Reinitzer）在加热安息香酸胆固醇脂（Cholesteryl Benzoate）研究胆固醇在植物内 之角色，于1883年3月14日观察到胆固醇苯甲酸酯在热熔时的异常表现。它在145.5℃ 时熔化，产生了带有光彩的混浊物，温度升到178.5℃后，光彩消失，液体透明。此 澄清液体稍微冷却，混浊又复出现，瞬间呈现蓝色，又在结晶开始的前一刻，颜色是 蓝紫的。
生活中的液晶显示器
2、液晶基础
（1）物质的第四态-------液晶
一般常识：
物质像水一样都有三态：固体、液体和气体，通常固体加热至熔点就变成透明的 液体，温度再升高就变成气体。
其实：
物质的三态是针对水等一类物质而言， 对于不同的物质， 可能有其它不同的状态存 在。有些有机材料不是直接从固体转变为液体，而是先要经过中间状态，然后才转 变为液体。这种中间状态外观是流动性的混浊液体，同时又有光学各向异性晶体所 特有的双折射特性。
热致液晶按分子的排列有序方式可以分为以下几种类别：
这类液晶分子呈 扁平状，排列成层， 层内分子互相平行， 分子长轴平行于层平 面，不同层的分子长 轴方向稍有变化，沿 层的法线方向排列成
螺旋状结构
向列相液晶由长径比很大的捧状分子所组成，具有类似于普通液体的流动性， 分子不能排列成层，它能上下、左右、前后滑动，只在分子长铀方向上保持相互 平行或近于平行。
液晶的分类方法
1.按照液晶的形成条件分类 2.按照分子排列的形式和有序性分类
按照液晶的形成条件分类
热致液晶
当对某些晶体物质体加热时，由于温度的升高破坏结晶 晶格，使其任某一温度范围内呈现出各向异性的熔体 而形成液晶态。
用于显示的都是可工作于室温的热致液晶，由于热致各 向异性的液晶物质的特殊稳定的温度范围应在室温以 上，只有这类液晶才能作为显示器件的材料。
液晶的发现已经有100多年的历史，但近20年来才获得了快 速的发展。这是因为液晶材料的光电效应被发现。因而被 应用在低电压和轻薄短小的显示组件上。 经过近30年的发展，液晶巳形成一个独立的学科。液晶知 识涉及多门学科，如化学、电子学、光学、计算机、微电 子、精细加工、色度学、照明等。 目前液晶材料已被广 泛应用于计算机显示屏，电子表，手机，计算器等电子产 品上。成为显示工业不可或缺的重要材料。
莱尼泽和雷曼后来被誉为液晶之父。
1、液晶的发现与发展过程简介
液晶的发展在1963年出现了转折点。该年，美国无线电公司(RCA)普林斯顿 研究所的一个从事微波固体元件研究已两年的年轻技术工作者 G．H．Heimeier，即将完成他的博土学位答辨。他有一个朋友正在从事有 机半导体的研究工作，在上下班路上向Heimeier介绍他所从事的研究工作， 使他发生了浓厚的兴趣。就这样，这位电子学专家改变了自己的专业,进入了 有机化学领域，他把电子学应用于有机化学，仅一年就发表了五篇论文。他 将染料与向列液晶混合，夹在两片透明导电玻璃基片之间，只施加几伏电压， 功率不到几个微瓦每平方厘米，液晶盒就由红色变成透明态。Heimeier心想 到这不就是平板彩色电视吗?兴奋的小组成员日以继夜地工作，相继发现了动 态散射、相变等一系列液晶的电光效应，并且研究出一系列数字、字符显示 器件以及液晶钟表、驾驶台显示器等应用产品。RCA公司领导对有关液晶的 发明极为重视，将其列为企业的重大秘密。1968年RCA公司向世界公布这些 液晶发明。