最新-7-光電子材料-(2)-PPT課件

1、7. 光電子材料7.1 固體激光材料7.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料 7.3 光導(dǎo)纖維材料7.4 透明導(dǎo)電薄膜材料7.5 其他光電材料 隨著社會(huì)的發(fā)展，社會(huì)信息量和信息交流的迫切性急劇增加，迅速提高信息的傳輸，存儲(chǔ)和處理速度成為信息社會(huì)發(fā)展的首要課題。光作為更高頻率和速度的信息載體，正在得到日益廣泛的應(yīng)用。 隨著激光的出現(xiàn)，光通信，光存儲(chǔ)和光信息等科學(xué)開始迅猛發(fā)展；特別是70年代低損耗光纖的研制成功，在通信行業(yè)引發(fā)了全新的革命，信息交流速度得以成倍的增加；80年代光盤存儲(chǔ)材料去的突破性進(jìn)展，使得光信息存儲(chǔ)走進(jìn)千家萬戶。7/19/202217.1 固體激光材料 激光的最初的中文名叫做“鐳射”、“萊塞”，是

2、它的英文名稱LASER的音譯，是取自英文Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation的各單詞頭一個(gè)字母組成的縮寫詞。意思是通過受激發(fā)射光擴(kuò)大。激光的英文全名已經(jīng)完全表達(dá)了制造激光的主要過程。1964年按照我國著名科學(xué)家錢學(xué)森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”。 激光是20世紀(jì)以來，繼原子能、計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體之后，人類的又一重大發(fā)明，被稱為“最快的刀”、“最準(zhǔn)的尺”、“最亮的光”和“奇異的激光”。它的亮度為太陽光的100億倍。它的原理早在 1916 年已被著名的物理學(xué)家愛因斯坦發(fā)現(xiàn)。激光是在有理論準(zhǔn)備和生產(chǎn)實(shí)踐迫切需要的背景下應(yīng)運(yùn)而生

3、的，它一問世，就獲得了異乎尋常的飛快發(fā)展，激光的發(fā)展不僅使古老的光學(xué)科學(xué)和光學(xué)技術(shù)獲得了新生，而且導(dǎo)致整個(gè)一門新興產(chǎn)業(yè)的出現(xiàn)。7/19/202227.1 固體激光材料1960-5-17，Ted Maiman 發(fā)明第一臺(tái)激光器7/19/202237.1 固體激光材料第一臺(tái)紅寶石激光器的拆卸圖7/19/202243.1 固體激光材料激光工作物質(zhì)泵浦源聚光腔諧振腔冷卻與濾光7/19/202257.1 激光的特點(diǎn)及發(fā)光原理（1）方向性好，亮度高：由于激光的發(fā)射能力強(qiáng)和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個(gè)光源質(zhì)量的重要指標(biāo)，若將中等強(qiáng)度的激光束經(jīng)

4、過會(huì)聚，可在焦點(diǎn)出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。激光發(fā)射后發(fā)散角非常小，激光射出20公里，光斑直徑只有2030厘米，激光射到38萬公里的月球上，其光斑直徑還不到2公里。 （2）單色性好 ：光的顏色由光的不同波長決定，不同的顏色，是不同波長的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個(gè)特性，激光在通信技術(shù)中應(yīng)用很廣。 （3）相干性好 ：相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導(dǎo)致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會(huì)產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強(qiáng)的相干性，所以稱為相干光。7/19/202267.1 激

5、光的特點(diǎn)及發(fā)光原理（4）激光傳遞信息容量大：低簡并的普通光束相當(dāng)于噪聲光，不可能傳輸大容量的信息，只有簡并度高的于激光才能實(shí)現(xiàn)微波和光通信。（5）高簡并度的強(qiáng)激光，其場強(qiáng)遠(yuǎn)大于分子、原子的庫倫場強(qiáng)，跟物質(zhì)發(fā)生相互作用時(shí)，會(huì)引起倍頻、和頻、差頻等很多新的物理效應(yīng)。7/19/20227激光的應(yīng)用工業(yè)加工，測量，快速成型，準(zhǔn)直，光刻，光盤通訊半導(dǎo)體激光器，放大器航天測距軍事雷達(dá)，制導(dǎo)，測距，制盲醫(yī)學(xué)手術(shù)刀，眼科，皮膚科，結(jié)石，血管，光鑷科研7/19/20228激光的應(yīng)用7/19/20229激光的應(yīng)用7/19/202210激光的應(yīng)用7/19/202211激光的應(yīng)用7/19/202212激光的應(yīng)用7/1

6、9/202213激光器的種類固體激光器：（紅寶石，Nd:YAG、Ti:Sapphire等），器件小、堅(jiān)固、使用方便、輸出功率大 氣體激光器：（He-Ne、CO2、Ar+ 激光器等） ，結(jié)構(gòu)簡單、造價(jià)低，操作方便，工作介質(zhì)均勻、光束質(zhì)量好，長時(shí)間穩(wěn)定連續(xù)工作 液體激光器（染料激光器等） ，特點(diǎn)：輸出波長連續(xù)可調(diào)，覆蓋面寬，但工作原理比較復(fù)雜。一般激光泵浦 半導(dǎo)體激光器（ GaAlAs、InGaAs等） ，特點(diǎn)：體積小、質(zhì)量輕、壽命長、結(jié)構(gòu)簡單而堅(jiān)固。 7/19/202214激光的發(fā)射原理E2E1N2N1h1.受激吸收：原子因受滿足頻率條件的光的激勵(lì)而躍遷到較高能態(tài)的過程一.受激吸收、自發(fā)輻射、受

7、激輻射2、 自發(fā)輻射 沒有外界作用，原子自發(fā)地由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，并輻射一個(gè)光子的過程。 E2E1N2N1h 各原子自發(fā)輻射的光是隨機(jī)的、獨(dú)立的、-非相干光 。7/19/202215激光的發(fā)射原理3.受激輻射若原子受到一個(gè)滿足頻率條件的外來光子的激勵(lì)，由高能態(tài)躍遷到低能態(tài)，則輻射出另一同頻率的光子來的過程E2E1N2N1全同光子hh受激輻射光與外來光的頻率、偏振方向、相位及傳播方向均相同-光被放大了。7/19/202216粒子數(shù)反轉(zhuǎn)熱平衡時(shí)，不同能級(jí)的原子數(shù)服從玻爾茲曼分布受激輻射與吸收同時(shí)存在，要產(chǎn)生激光必須N2w21 N1w12 由于w21= w12 即需要N2 N1N1 屬非平衡態(tài)原子

8、布局，亦稱粒子數(shù)反轉(zhuǎn)能實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)的物質(zhì)激活物質(zhì)；激活物質(zhì)必須存在亞穩(wěn)態(tài)能級(jí)。 7/19/2022177.1.2 激光晶體1. 激光晶體基本結(jié)構(gòu)和性能要求 激光晶體是品種最多、應(yīng)用最早的激光工作物質(zhì)。根據(jù)晶體的組成和激光激發(fā)過程中所起的作用，材料結(jié)構(gòu)可分為兩個(gè)部分。組成晶格的主組分稱為基質(zhì)晶體，其作用主要是為激活離子提供一個(gè)適當(dāng)?shù)木Ц駡?。另一部分是發(fā)光中心，實(shí)際上是少量摻雜離子，稱為激活離子。激光的波長土要取決于激活離子的內(nèi)部能級(jí)結(jié)構(gòu)。7/19/2022187.1.2 激光晶體基質(zhì)晶體的基本類型 7/19/2022197.1.2 激光晶體7/19/2022207.1.2 激光晶體性能要求A

9、熒光線寬：熒光線寬比較窄，光泵閾值小，比較適合作為連續(xù)器件；大功率，大能量的器件，要求熒光線寬大一些，這樣可以減小自振，增加儲(chǔ)能。B 熒光壽命：對(duì)于小閾值的能量，要求小的熒光壽命；對(duì)于巨脈沖的激光器，要求較大熒光壽命。C 熒光量子效率，能態(tài)轉(zhuǎn)換效率，激光帶寬度，吸收系數(shù)。這些值都要求大一小，利于充分的利用能量。D 振蕩波長：要求要短 ，減少閾值能量，更容易的產(chǎn)生振蕩。7/19/2022217.1.2 激光晶體性能要求E 內(nèi)部損耗：要小，無光吸收。F 熱光系數(shù)：要小，它表示材料的熱穩(wěn)定性。G 理化性能：良好的物理化學(xué)性能，如熱膨脹系數(shù)小，彈性模量要大，熱導(dǎo)率要高，化學(xué)健態(tài)和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定H 能級(jí)結(jié)構(gòu)：

10、四能級(jí)優(yōu)于三能級(jí)，更加容易的建立亞穩(wěn)態(tài)和終態(tài) 的粒子數(shù)翻轉(zhuǎn)。I 材料長度：為了超過臨界振蕩所需要餓最小反轉(zhuǎn)粒子數(shù)，材料要有足夠的長度7/19/2022227.1.2 激光晶體2 典型的激光晶體材料A 紅寶石激光晶體性質(zhì)見表273B 摻釹-釔鋁石榴石（Nd :Y3Al5O12，簡稱Nd:YAG ）7/19/2022237.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料7.2.1 半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制及特點(diǎn) 半導(dǎo)體發(fā)光器件具有體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高、易于調(diào)制、可集成化、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，目前在光電信息產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，成為光電子產(chǎn)業(yè)的主要文桂。半導(dǎo)體發(fā)光材料是制造半導(dǎo)體發(fā)光器件的基礎(chǔ)。 半導(dǎo)體發(fā)光器件的實(shí)質(zhì)性結(jié)構(gòu)是半導(dǎo)體PN結(jié)。P

11、N結(jié)由P型半導(dǎo)體和N型半導(dǎo)體的接觸面形成。由于兩區(qū)多數(shù)載流子濃度不同，P區(qū)空穴會(huì)擴(kuò)散到N區(qū)，N區(qū)電子也會(huì)擴(kuò)散到P區(qū)。在兩區(qū)界面附近形成空間電荷區(qū)，即耗盡層。耗盡層中的空間電荷產(chǎn)生接觸電場及漂移電流，對(duì)空穴和電子的進(jìn)一步擴(kuò)散具合抑制作用。在熱平衡條件下，擴(kuò)散電流與漂移電流相互均衡。7/19/2022247.2 半導(dǎo)體發(fā)光材料半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制 當(dāng)在PN結(jié)上加以一個(gè)外加的正向電壓時(shí)，原有的均衡被打破，漂移電流減少，擴(kuò)散電流增加，PN結(jié)勢壘變低，耗盡區(qū)變窄，新的載流子就會(huì)通過擴(kuò)散大量注入到耗盡區(qū)中，這些載流子在耗盡區(qū)中相互復(fù)合時(shí)，多余能量以光于形式輻射，產(chǎn)生發(fā)光，這正是半導(dǎo)體發(fā)光的主要機(jī)制。？為什么一般

12、的PN節(jié)，加入正向電壓不發(fā)光7/19/202225半導(dǎo)體發(fā)光機(jī)制 有時(shí)候電子和空穴會(huì)通過二極管，爭相導(dǎo)通，因而不會(huì)發(fā)光，有時(shí)候會(huì)發(fā)生復(fù)合，但是也不發(fā)出光子。 復(fù)合可分為兩大類：一類是輻射性復(fù)合；一類是非輻射性復(fù)合。輻射性復(fù)合是由于電子與空穴的復(fù)合以光能的形式輻射能量，這對(duì)于面體發(fā)光至關(guān)重要；而非輻射性復(fù)合會(huì)產(chǎn)生聲子，對(duì)固體發(fā)光有害。7/19/2022261 輻射性復(fù)合 A 電子和空穴由于碰撞而復(fù)合 這種復(fù)合可分為不通過聲子的復(fù)合(直接躍遷)和必須通過聲了為媒介的復(fù)合(間接躍遷)兩種。在這類復(fù)合中，導(dǎo)帶底的電子落到滿帶，與空穴復(fù)合，初態(tài)與終態(tài)的能量差以光的形式輻射，其躍遷模型如圖所示。代表聲子的

13、能量，即晶格振動(dòng)的熱能7/19/2022271 輻射性復(fù)合 B 通過雜質(zhì)能級(jí)的復(fù)合 對(duì)于含有雜質(zhì)的半導(dǎo)體，在常溫下大部分雜質(zhì)被禽化，在禁帶中形成空的雜質(zhì)能級(jí)。此時(shí)導(dǎo)帶上的電子可以被雜質(zhì)能級(jí)俘獲，再落入滿帶形成光輻射、其躍遷過程如圖所示。 7/19/2022281 輻射性復(fù)合 C 激子復(fù)合 在半導(dǎo)體晶體中，除了固定在晶格原子上的電子(滿帶電子）和能自由地在晶體中運(yùn)動(dòng)的電子(導(dǎo)帶電子)外，還可能存在一種處于激發(fā)態(tài)的電子。這種電子處于高能激發(fā)態(tài)，活動(dòng)于原子的外軌道，與原子核結(jié)合力較弱，易于脫離原子而轉(zhuǎn)移到相鄰原于去，從而形成電子空穴對(duì)。這種電子-空穴對(duì)復(fù)合時(shí)也會(huì)以光的形式輻射能量。激子復(fù)合通常具有較

14、高的復(fù)合效率。7/19/2022292 非輻射性復(fù)合 非輻射性復(fù)合主要是由于躍遷能量轉(zhuǎn)換為低能聲子而形成。這種復(fù)合主要有以下幾種形式： (1)階段地放出聲了的復(fù)合 若在禁帶中含有若干能量不同的雜質(zhì)或缺陷能級(jí)，能級(jí)間能量差很小，則在復(fù)合過程中，導(dǎo)帶電子可能會(huì)在這些能級(jí)間發(fā)生階段性躍遷，通過一系列聲子的產(chǎn)生實(shí)現(xiàn)復(fù)合過程。 7/19/2022302 非輻射性復(fù)合 (2)俄歇過程 在電子與空穴的復(fù)合過程中，多余能量未以光輻射形式出現(xiàn)而是被導(dǎo)帶中的其他電子吸收。吸收能量的電子被激發(fā)到導(dǎo)帶的高能量狀態(tài)，其后再逐漸放出聲子，回到導(dǎo)帶的下端。這種過程通常發(fā)生于存在晶格缺陷的晶體中。 (3)表面復(fù)合 在晶體的表

15、面，通常缺陷密度遠(yuǎn)高子晶體內(nèi)部，因此在表面引起的各種非輻射性復(fù)合的幾率也比內(nèi)部高得多，因此半導(dǎo)體發(fā)光器件的效率和可靠性不僅與材料結(jié)構(gòu)有關(guān)，也與表面狀態(tài)有密切關(guān)系。在器件制作時(shí)，采用致密的氧化物膜層理蓋表面是減少非輻射性復(fù)合，提高發(fā)光效率的有效途徑。 7/19/2022317.2.2 常用半導(dǎo)體發(fā)光材料1 GaAs 1.4eV 900nm 直接帶隙，是很多III-V族發(fā)光器件的基礎(chǔ)材料2 GaP 2.26eV 550nm 間接帶隙，主要通過摻入不同的雜質(zhì)，可以發(fā)射短波長的光，如紅、黃和綠等。3 GaN 3.4eV 365nm 直接帶隙，何以和InN等材料進(jìn)行合金，形成發(fā)光波長處于藍(lán)，紫和紫外波段7/19/2022327.2.2 常用半導(dǎo)體發(fā)光材料4 GaAs1-xPx 1.4eV-2.26eV 連續(xù)漸變X0.38 由直接帶隙向間接過渡 x=0.4，發(fā)