chap2非整比化合物材料與亞穩(wěn)態(tài)材料

第2章非整比化合物材料

與亞穩(wěn)態(tài)材料1人類最早使用的材料是天然的石塊。在采集石塊的同時也就發(fā)現(xiàn)了各種具有規(guī)則外形的石頭。人們把這些具有規(guī)則外形的石頭稱為晶體。在我國周口店的中國猿人遺址就發(fā)現(xiàn)了用水晶等晶體制成的工具。這是人類認(rèn)識晶體的開始。因此，晶體是一個非常古老的名詞。食鹽是最普通的同時也是最重要的一種晶體。鹽對于生命來說是必不可少的，而在所有文化形態(tài)中，鹽又歷來具有某種象征的性質(zhì)。

“salary”=“買鹽的錢”。第1節(jié)晶體結(jié)構(gòu)和晶體的性質(zhì)2

3

4晶體的導(dǎo)電、光的透射、折射、偏振、壓電性、硬度等性質(zhì)常因晶體取向不同而異，叫做各向異性。如：如石墨在與層平行的方向上具有導(dǎo)電性，而在與層垂直的方向上就不具有導(dǎo)電性。若在水晶表面上涂一層蠟，用紅熱的針接觸蠟面中央，蠟熔化呈橢圓形而不呈圓形，這是由于水晶柱面長軸方向與短軸方向傳熱速度不同。從不同方向觀察紅寶石或藍(lán)寶石，會發(fā)現(xiàn)寶石的顏色不同，這是由于方向不同，晶體對光的吸收性質(zhì)不同。56晶體能自發(fā)形成多面體外形(晶體的自范性)，滿足歐拉定理

F(晶面數(shù))+V(頂點數(shù))=E(晶棱數(shù))+26+8=12+28+6=12+24+4=6+2晶體的理想外形具有特定的對稱性，這是內(nèi)部結(jié)構(gòu)對稱性的反映7晶面角守恒定律晶體最初給人們的印象就是具有規(guī)則外形，而對晶體開展的研究也是從這些規(guī)則外形開始的。1669年，一個叫做斯特諾(NicolasSteno)的意大利人對水晶進(jìn)行了仔細(xì)的研究后發(fā)現(xiàn)：盡管不同的石英晶體，其晶面的大小、形狀、個數(shù)都可能會有所不同，但是相應(yīng)的晶面之間的夾角都是固定不變的。8天然的水晶(石英晶體)可以有各種不同的外形盡管不同的石英晶體，其晶面的大小、形狀、個數(shù)都可能會有所不同，但是相應(yīng)的晶面之間的夾角都是固定不變的其中的a晶面和b晶面之間的夾角總是141

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，b晶面和c晶面之間的夾角總是120

00

，而c晶面和a晶面之間的夾角總是113

08

。9此后，人們對各種不同的晶體進(jìn)行了大量的觀察，發(fā)現(xiàn)類似的規(guī)律對于其他的晶體也是存在。這就誕生了結(jié)晶學(xué)上的第一條經(jīng)驗定律

晶面角守恒定律

在同一溫度下，同一種物質(zhì)所形成的晶體，其相同晶面的夾角是一個常數(shù)。10玻璃體不會自發(fā)的形成多面體外形，當(dāng)一塊玻璃冷卻時，隨著溫度降低，粘度變大，流動性變小，固化成表面圓滑的無定形體，與晶體的有棱、有頂角、有平面的性質(zhì)完全不同。11

晶體加熱至熔點開始熔化，熔化過程中溫度保持不變，熔化成液態(tài)后溫度才繼續(xù)上升。

而非晶態(tài)玻璃體熔化時，隨著溫度升高，粘度逐漸變小，成流動性較大的液體。12132.2.1晶體缺陷與非整比化合物1.理想晶體與實際晶體實際晶體對理想晶體的偏離:（1）粒子有限，表面效應(yīng)（2）粒子熱運動，點陣點位置（3）晶體缺陷——點缺陷，線缺陷，面缺陷，體缺陷點缺陷空位、雜質(zhì)原子、間隙原子、錯位原子和變價原子等第2節(jié)非整比化合物材料14缺陷綜述缺陷定義：實際晶體與理想晶體相比有一定程度的偏離或不完整性，把發(fā)生偏離的區(qū)域叫做缺陷。缺陷產(chǎn)生的原因：熱振動、雜質(zhì)、氣氛研究缺陷的目的：制備所需要的功能材料。例如：單晶硅，加Ge，P具備半導(dǎo)體能力。缺陷不利-避免，如缺陷引起性能惡化，強度降低。缺陷有利-人為引入缺陷。缺陷分類：根據(jù)缺陷程度的大小分為點缺陷、線缺陷、面缺陷。15點缺陷點缺陷的類型——A根據(jù)對理想晶體偏離的幾何位置來分，有三類：空位正常結(jié)點位置沒有被質(zhì)點占據(jù)填隙原子質(zhì)點進(jìn)入間隙成為填隙原子雜質(zhì)原子雜質(zhì)原子進(jìn)入晶格（結(jié)晶過程中混入或加入，一般不大于1%）固溶體進(jìn)入間隙位置-間隙雜質(zhì)原子進(jìn)入正常結(jié)點-取代（置換）雜質(zhì)原子16點缺陷點缺陷的類型——B根據(jù)缺陷產(chǎn)生的原因，有三類：熱缺陷肖特基缺陷弗倫克爾缺陷雜質(zhì)缺陷雜質(zhì)缺陷的濃度與溫度無關(guān)，只決定于溶解度存在的原因：1本身存在；2有目的的加入（摻雜改性）非化學(xué)計量結(jié)構(gòu)缺陷（電荷缺陷）變價離子，如TiO2-x此類材料為半導(dǎo)體材料17固溶體（雜質(zhì)缺陷）18固溶體（雜質(zhì)缺陷）19形成置換型固溶體的條件和影響溶解度的因素：（1）離子大?。?）晶體結(jié)構(gòu)類型（3）離子電價（4）電負(fù)性20置換型固溶體21置換型固溶體22置換型固溶體23置換型固溶體24不等價取代25不等價取代26間隙性固溶體27間隙性固溶體28晶體缺陷的應(yīng)用29302.非整比化合物晶體中出現(xiàn)空位或填隙原子，使化合物的成分偏離整比性。例如Fe1-xO，Ni1-xO等許多過渡金屬氧化物和硫化物。這類化合物的組成中，各元素的原子(或離子)可以一定的比例范圍內(nèi)波動，組成不符合化合價規(guī)則，不能用小的整數(shù)來表示，只能用小數(shù)描述，人們稱此類化合物為非整比化合物或非計量化合物。此類材料均為半導(dǎo)體材料31非整比化合物的類型：（1）某種原子過多或短缺Zn1+δO——n型半導(dǎo)體，1000KZnO晶體在Zn蒸氣中加熱TiO1+δ——良好的導(dǎo)電性,在不同氧氣分壓下加熱TiO,TiO0.82

-TiO1.18過渡金屬氧化物——混合價態(tài)化合物可以作顏料、磁性材料、氧化還原催化劑、蓄電池的電極材料32（2）層間嵌入某些離子，原子，或分子:LiδTiS2(0<δ<1)——良好的導(dǎo)電性,鋰電池的電解質(zhì)TiS2

層形結(jié)構(gòu)，S原子間vandeWalls力,Li蒸氣或正丁基鋰非極性溶液33(3)晶體中吸收了某些小原子:LaNi5Hx氫可以和許多過渡金屬形成可變組成的間隙型氫化物，由于這些金屬氫化物可以可逆地分解，從而得到金屬和氫氣，因此是很好的儲氫材料，它們的儲氫量往往可以超過相同體積的液態(tài)氫。在已開發(fā)的一系列貯氫材料中，稀土系貯氫材料性能最佳，應(yīng)用也最為廣泛。人們很早就發(fā)現(xiàn)，稀土金屬與氫氣反應(yīng)生成稀土氫化物REH2，這種氫化物加熱到1000℃以上才會分解。而在稀土金屬中加入某些第二種金屬形成合金后，在較低溫度下也可吸放氫氣，是良好的貯氫合金材料。典型的貯氫合金LaNi5是1969年荷蘭菲利浦公司發(fā)現(xiàn)的，從而引發(fā)了人們對稀土系儲氫材料的研究。34氫可以和許多過渡金屬形成可變組成的間隙型氫化物，例如PdHx、LaNi5Hx、FeTiHx等。

2PdHx2Pd+XH2

用作儲氫材料。35存在的理論疑惑：

缺陷簇超晶格新物相當(dāng)缺陷在固溶體中彼此相互作用，即形成缺陷簇，而缺陷簇或可通過生長或通過有序的方式本身排列起來，即超晶格結(jié)構(gòu)，此時則生成新的物相。36非整比化合物屬于缺陷化合物，由于其實際晶體中存在缺陷和畸變的部位，正常的點陣結(jié)構(gòu)受到了一定程度的破壞或攪亂，因而對晶體的生長，晶體的力學(xué)性能、電學(xué)性能、磁學(xué)性能和光學(xué)性能等都有著極大的影響，在生產(chǎn)上和科研中都非常重要，是固體物理、固體化學(xué)、材料科學(xué)等領(lǐng)域的重要基礎(chǔ)內(nèi)容。非整比化合物與其母體化合物的不同之處在于：它們的組成可以改變，呈現(xiàn)深的顏色，具有金屬性或半導(dǎo)體性和不同的化學(xué)反應(yīng)活性，還有特殊的光學(xué)和磁學(xué)性質(zhì)。

2.2.2非整比化合物材料及其應(yīng)用37

非整比化合物都是半導(dǎo)體。

半導(dǎo)體材料分為兩大類：一是摻雜半導(dǎo)體，如Si、Ge中摻雜B、P，Si中摻P為n型半導(dǎo)體；二是非化學(xué)計量化合物半導(dǎo)體，又分為金屬離子過剩（n型）（包括負(fù)離子缺位和間隙正離子）和負(fù)離子過剩（p型）（正離子缺位和間隙負(fù)離子）。38（1）由于負(fù)離子缺位，使金屬離子過剩

TiO2、ZrO2會產(chǎn)生這種缺陷，分子式可寫為TiO2-x，ZrO2-x，產(chǎn)生原因是環(huán)境中缺氧，晶格中的氧逸出到大氣中，使晶體中出現(xiàn)了氧空位。39圖TiO2-x結(jié)構(gòu)缺陷示意圖（I）為什么TiO2-x是一種n型半導(dǎo)體？TiO2-x結(jié)構(gòu)缺陷在氧空位上捕獲兩個電子，成為一種色心。色心上的電子能吸收一定波長的光，使氧化鈦從黃色變成藍(lán)色直至灰黑色。自由電子導(dǎo)電。40色心、色心的產(chǎn)生及恢復(fù)“色心”是由于電子補償而引起的一種缺陷。某些晶體，如果有x射線，γ射線，中子或電子輻照，往往會產(chǎn)生顏色。由于輻照破壞晶格，產(chǎn)生了各種類型的點缺陷。為在缺陷區(qū)域保持電中性，過剩的電子或過剩正電荷(電子空穴)就處在缺陷的位置上。在點缺陷上的電荷，具有一系列分離的允許能級。這些允許能級相當(dāng)于在可見光譜區(qū)域的光子能級，能吸收一定波長的光，使材料呈現(xiàn)某種顏色。把這種經(jīng)過輻照而變色的晶體加熱，能使缺陷擴散掉，使輻照破壞得到修復(fù)，晶體失去顏色。41現(xiàn)象：白色的在真空中煅燒，變成黑色，再退火，又變成白色。原因：晶體中存在缺陷，陰離子空位能捕獲自由電子，陽離子空位能捕獲電子空穴，被捕獲的電子或空穴處在某一激發(fā)態(tài)能級上，易受激而發(fā)出一定頻率的光，從而宏觀上顯示特定的顏色。色心：這種捕獲了電子的陰離子空位和捕獲了空穴的陽離子空位叫色心。

中易形成氧空位，捕獲自由電子。真空煅燒，色心形成，顯出黑色；退火時色心消失，又恢復(fù)白色。舉例42（2）由于間隙正離子，使金屬離子過剩

Zn1+xO和Cdl+xO屬于這種類型。過剩的金屬離子進(jìn)入間隙位置，帶正電，為了保持電中性，等價的電子被束縛在間隙位置金屬離子的周圍，這也是一種色心。例如ZnO在鋅蒸汽中加熱，顏色會逐漸加深，就是形成這種缺陷的緣故。43圖由于間隙正離子，使金屬離子過剩型結(jié)構(gòu)（II）e44（3）由于存在間隙負(fù)離子，使負(fù)離子過剩

目前只發(fā)現(xiàn)UO2+x，可以看作U2O8在UO2中的固溶體，具有這樣的缺陷。當(dāng)在晶格中存在間隙負(fù)離子時，為了保持電中牲，結(jié)構(gòu)中引入電子空穴，相應(yīng)的正離子升價，電子空穴在電場下會運動。因此，這種材料是P型半導(dǎo)體。45圖由于存在間隙負(fù)離子，使負(fù)離子過剩型的結(jié)構(gòu)（III）hh46圖由于正離子空位的存在，引起負(fù)離子過剩型結(jié)構(gòu)缺陷（IV）h（4）由于正離子空位的存在，引起負(fù)離子過剩47小結(jié)：四類非化學(xué)計量化合物之代表物Ⅰ型（負(fù)離子缺位型）：

Ⅱ型（間隙正離子型）：

Ⅲ型（間隙負(fù)離子型）：Ⅳ型（正離子缺位型）：

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液晶最早是奧地利植物學(xué)家萊尼茨爾（F.Reinitzer)于1888年發(fā)現(xiàn)的，他在測定有機物的熔點時，發(fā)現(xiàn)某些有機物（膽甾醇的苯甲酸脂和醋酸脂）熔化后會經(jīng)歷一個不透明的呈白色渾濁液體狀態(tài)，并發(fā)出多彩而美麗的珍珠光澤，只有繼續(xù)加熱到某一溫度才會變成透明清亮的液體。第二年，德國物理學(xué)家萊曼（O.Lehmann)使用他親自設(shè)計，在當(dāng)時作為最新式的附有加熱裝置的偏光顯微鏡對這些脂類化合物進(jìn)行了觀察。他發(fā)現(xiàn)，這類白而渾濁的液體外觀上雖然屬于液體，但卻顯示出各向異性及晶體特有的雙折射性。于是萊曼將其命名為“液態(tài)晶體”，這就是“液晶”名稱的由來。

液晶是一種介于固體與液體之間，具有規(guī)則性分子排列的有機化合物，一般最常用的液晶型式為向列液晶，分子形狀為細(xì)長棒形。

液晶分子形狀子構(gòu)造第3節(jié)液晶材料4950通常物質(zhì)有固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種形態(tài)，常見的冰、水和水蒸氣就是水的三態(tài)。不過，自然界的物質(zhì)往往要復(fù)雜的多，有時固態(tài)和液態(tài)就很難區(qū)分，存在許多中間狀態(tài)。晶體和液體之間即存在著兩種中間狀態(tài)：像晶體的液體和像液體的晶體，前者稱為液晶，后者稱為塑晶。2.3.1液晶和塑晶51液晶是先熔化失去平移對稱性，進(jìn)一步升高溫度后產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。塑晶是先進(jìn)行轉(zhuǎn)動，這時依然保持平移對稱性，再升溫后熔化而失去平移對稱性。52液晶:有一類有機化合物晶體在加熱過程中，到達(dá)某一溫度T1時，熔化成粘稠狀而稍微有些混濁的液體，繼續(xù)加熱到更高溫度T2時將會變成透明的液體；偏光顯微鏡觀察發(fā)現(xiàn)，在T1和T2之間所形成的混濁液體具有明顯的紋理，呈光學(xué)的各向異性，稱之為液晶。53?分子是細(xì)長的?分子是剛性的末端基的X和Y，有烷基（-R）、烷氧基（-OR）、烷基酯（-O-CO-R），氰（-CN）或硝基（-NO）等取代基。R大部分是直線狀鏈，其鏈長往往影響液晶的相變溫度。2.3.2液晶的特性1.液晶的結(jié)構(gòu)特點54續(xù)作為連結(jié)苯環(huán)或聯(lián)苯環(huán)的A，多數(shù)是甲亞胺（-CH=N-）、偶氮（-N=N-）、氧化偶氮或脂。這些功能團都有雙鍵，因而與兩側(cè)的苯環(huán)形成某種程度的共軛，提高了整個分子的剛性。現(xiàn)代廣泛應(yīng)用的聯(lián)苯和三聯(lián)苯液晶是將中間橋鍵去掉的結(jié)構(gòu)。55液晶材料

液晶不但可以由某些有機化合物加熱溶解后生成，而且可由某些有機化合物在一定的溶劑中溶解后生成。液晶的分子應(yīng)該滿足三個基本要求：

（1）分子結(jié)構(gòu)形狀為棒狀或平面形；（2）分子有一定極性；（3）適當(dāng)?shù)拈L寬比例。56目前已知的液晶都是有機化合物，分子的形狀有長棒形和圓盤形兩種，長棒形液晶材料較早地被應(yīng)用，均六苯酚的酯類化合物具有盤狀液晶性質(zhì)。幾種液晶化合物的相轉(zhuǎn)變溫度

57液晶的特性

液晶是固、液之間的中間物質(zhì)狀態(tài)，兼具液體和晶體的物理特性。液晶分子不具有平移對稱性，但分子平行排列，沿某一方向長程有序。分子特點：形如棒狀，長寬比在4~8之間分子量在200~500；約幾個納米的分子；分類：低分子液晶和高分子液晶（分子量）；熱致性液晶、溶致性液晶；58以凝集構(gòu)造的不同可分為：●向列型（nematic）液晶●層列型（smectic）液晶●膽甾型（cholesteric）液晶按形成原因的不同分為：液致性(lyotropic)液晶，即液晶分子在適當(dāng)溶劑中，當(dāng)達(dá)到某一臨界濃度時而形成液晶狀態(tài)。溶致型：依靠溶劑溶解，在一定的濃度范圍內(nèi)形成。熱致性（thermotropic）液晶，它是由于溫度的變化而呈現(xiàn)出各種不同的液晶狀態(tài)。熱致型：依靠升高溫度，在某一溫度范圍內(nèi)形成。

59●向列型（nematic）液晶

液晶分子大致以長軸方向平行配對，因此具有一維空間的規(guī)則性排列。剛性中心分子，柔性尾鏈；此類型液晶的粘度小，應(yīng)答速度快，是最早被應(yīng)用的液晶，普遍的使用于液晶電視、筆記本電腦以及各類型顯示元件上。液晶顯示器利用的是液晶的扭曲向列效應(yīng)60向列型nematics向列型平均方向有方向秩序而無位置秩序61●層列型（smectic）液晶具有二維空間的層狀規(guī)則性排列，各層間則有一維的順向排列。一般而言，此類分子的黏度大，對電場的應(yīng)答速度慢，比較少應(yīng)用于顯示器上，多用于光記憶材料的發(fā)展上。62層列型smectics層列型一維之位置秩序及方向秩序63●膽甾型（cholesteric）液晶此類型液晶可以看作是由多層向列型液晶堆積所形成，分子的排列呈螺旋平面狀的排列，面與面之間為互相平行，各個面上的分子長軸方向不同，即兩個平面上的分子長軸方向夾著一定角度；當(dāng)兩個平面上的分子長軸方向相同時，這兩個平面之間的距離稱為一個pitch。cholesteric液晶pitch的長度會隨著溫度的不同而改變，因此會產(chǎn)生不同波長的選擇性反射，產(chǎn)生不同的顏色變化，故常用于溫度感測器。64膽固醇型膽固醇型cholesterics65J2.液晶材料的物理性能（1）介電常數(shù)的各向異性（2）折射率的各向異性（3）磁化率的各向異性和電導(dǎo)率的各向異性（4）反射率的各向異性J液晶材料的物理性能（1）介電常數(shù)的各向異性(△ε)定義:在向列型液晶中，平行分子長軸的介電常數(shù)ε∥與垂直分子長軸的介電常數(shù)ε⊥之差△ε(△ε=ε∥-ε⊥)稱為介電常數(shù)的各向異性。（2）折射率的各向異性定義：光在液晶材料中的傳播是各向異性的，在向列型液晶中，沿分子長軸方向振動的光的折射率n∥大于垂直長軸方向振動的光的折射率n⊥，△n（△n=n∥-n⊥）稱為折射率的各向異性。續(xù)（3）磁化率的各向異性和電導(dǎo)率的各向異性

磁化率（X）的各向異性以△X＝X∥-X⊥表示。電導(dǎo)率（σ）的各向異性則以σ∥／σ⊥表示。（4）反射率的各向異性在膽甾相液晶材料中．由于分子螺旋排列，當(dāng)線性偏振光沿著螺旋軸方向射入時，可分為兩個不同符號(指左旋和右旋)的圓偏振光，與膽甾相螺旋符號相反的將被透射，相同的被反射。液晶的扭曲效應(yīng)3.液晶的性質(zhì)與應(yīng)用物理功能的應(yīng)用：顯示、檢測器和傳感器等。化學(xué)功能的利用：乳化劑。69液晶顯示技術(shù)LCD19世紀(jì)末，奧地利植物學(xué)家萊尼茲發(fā)現(xiàn)了液晶，并發(fā)現(xiàn)液態(tài)晶體分子排列有一定的順序。在施加的電場作用下，由于本身電導(dǎo)率各向異性的緣故，會發(fā)生分子排列的變化和分子的流動，導(dǎo)致其光學(xué)特性的變化。這種順序在電場的作用下會發(fā)生變化，從而影響它的光學(xué)性質(zhì)，人們把這種現(xiàn)象稱為電光效應(yīng)；20世紀(jì)60年代英國科學(xué)家制造出世界第一塊液晶板；1968年美國RCA公司推出第一臺液晶顯示器；70液晶顯示技術(shù)的發(fā)展主要分四個階段：第一代為動態(tài)散射（DSM）液晶顯示器；第二代是扭曲向列（TN）液晶顯示器；第三代超扭曲（STN）液晶顯示器；第四代薄膜晶體管（TFT）液晶顯示器。71液晶顯示器是一種由液晶材料制造、利用電場調(diào)制的受光型顯示器件，需要背光源。液晶顯示器具有五大優(yōu)點：一、超廣色域，因此色彩更鮮艷。二、超薄外觀，更加時尚。三、節(jié)能環(huán)保，能耗比冷陰極背光源低50%，并且沒有冷陰極管的汞污染。LED是半導(dǎo)體通電發(fā)光，沒有電磁輻射，對人體無害。四、壽命長，達(dá)到將近10萬小時，每天開10小時的話可以使用27年。LED背光源的理論壽命比目前技術(shù)的液晶面板要長。五、可以達(dá)到10000:1的超高對比度，清晰度更高。廣泛用于各種電子表、計算機、數(shù)字電壓表和大屏幕電視。72液晶顯示器的關(guān)鍵部分是液晶板。由于液晶顯示器工作原理的自身因素，雖然LCD有健康、環(huán)保、低輻射、低能耗等優(yōu)點，但LCD液晶板的視角、色飽和度、亮度及反應(yīng)速度等方面的缺陷一直是困擾液晶顯示屏普及的問題。73LCD顯示屏都是由兩塊玻璃板中間夾帶液晶材料所構(gòu)成的。當(dāng)光束通過這層液晶時，液晶本身會排排站立或扭轉(zhuǎn)呈不規(guī)則狀，從而阻隔或使光束順利通過。液晶層中的水晶液滴都被包含在細(xì)小的單元格結(jié)構(gòu)中，一個或多個單元格構(gòu)成屏幕上的一個像素。在玻璃板與液晶材料之間是透明的電極，電極分為行和列，在行與列的交叉點上，通過改變電壓而改變液晶的旋光狀態(tài)。

當(dāng)LCD中的電極產(chǎn)生電場時，液晶分子就會產(chǎn)生扭曲，從而將穿越其中的光線進(jìn)行有規(guī)則的折射，然后經(jīng)過第二過濾層的過濾在屏幕上顯示出來。

以往的TN（偽彩）液晶顯示面板所使用的液晶材料，在改變電壓的情況下長棒狀的液晶分子呈現(xiàn)傾斜排列，光線在經(jīng)過折射后所顯示出來的影像不光存在色彩偏暗的缺陷，在可視角度上也不能讓人滿意?，F(xiàn)在的液晶顯示器盡管使用了同樣的長棒狀液晶分子，但卻使用橫軸來折射光線，這就恰似一個個放大鏡，光線在通過后獲得了最大程度的擴展。飛利浦公司宣稱采用這種技術(shù)的液晶電視可視角度能夠達(dá)到匪夷所思的180度。

741.液晶顯示器與傳統(tǒng)CRT相比最大的優(yōu)點還是在于耗電量和體積，同尺寸的液晶顯示器耗電量為CRT的一半。

2.與傳統(tǒng)CRT相比液晶在環(huán)保方面也表現(xiàn)的表現(xiàn)，這是因為液晶顯示器內(nèi)部不存在象CRT那樣的高壓元器件，所以其不至于出現(xiàn)由于高壓導(dǎo)致的x射線超標(biāo)的情況，所以其輻射指標(biāo)普遍比CRT要低一些。

3.由于CRT顯示器是靠偏轉(zhuǎn)線圈產(chǎn)生的電磁場來控制電子束的，而由于電子束在屏幕上又不可能絕對定位，所以CRT顯示器往往會存在不同程度的幾何失真，線性失真情況。而液晶顯示器由于其原理問題不會出現(xiàn)任何的幾何失真，線性失真，這也是一大優(yōu)點。75采用低溫多晶硅技術(shù)是提高液晶板分辨率的有效方法之一。最近美國inViso推出了沒有顯示器的筆記本計算機，一種叫做eShades的電子目鏡——可以與計算機連接戴在頭上的LCD顯示屏。76超薄設(shè)計是液晶顯示器的一大特點，不過將液晶顯示器做得像紙一樣薄，并且可以折疊將是一件很難想象的事。發(fā)光二極管（OLED）將被視為潛力雄厚的顯示技術(shù)，可以折疊聚合物式OLED顯示器將傳統(tǒng)的“硅基”材質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)椤八芑辈馁|(zhì)。其原料低廉，生產(chǎn)程序精簡，以及環(huán)境要求較低，塑基液晶顯示技術(shù)適用于制造超大面積屏；塑基優(yōu)秀的堅固性、低密度和靈活性可以被用來制造不易毀壞、任意形狀、扁平的、輕的液晶顯示器。77OLED（有機發(fā)光二極管）采用的二極管會自行發(fā)光，因此不需要背面光源，將有可能使將電路印刷在塑料一類的彈性材料上制成能像百葉窗一樣卷起、攤開的計算機屏幕變?yōu)楝F(xiàn)實?，F(xiàn)在遇到的難題是色彩逼真度問題。78PDP(等離子顯示屏)同樣超輕、超薄、廣視角、高清晰度、能經(jīng)受嚴(yán)格高低溫循環(huán)、溫度沖擊、機械振動沖擊，并且壽命長、有存儲特性及雙穩(wěn)態(tài)特性、便于數(shù)字化處理、環(huán)境性能好，特殊設(shè)計制造的PDP還可以實現(xiàn)抗核輻射等特性。79PDP的優(yōu)點1.PDP顯示屏的體積更小、重量更輕，而且無X射線輻射。2.由于PDP各個發(fā)光單元的結(jié)構(gòu)完全相同，因此不會出現(xiàn)圖像的幾何變形。3.PDP屏幕亮度非常均勻--沒有亮區(qū)和暗區(qū)；而傳統(tǒng)顯像管的亮度--屏幕中心總是比四周亮度要高一些。4.PDP不會受磁場的影響，具有更好的環(huán)境適應(yīng)能力。5.PDP屏幕不存在聚焦的問題，因此，顯像管某些區(qū)域因聚焦不良或年月已久開始散焦的問題得以解決，不會產(chǎn)生顯像管的色彩漂移現(xiàn)象。

806.表面平直使大屏幕邊角處的失真和色純度變化得到徹底改善。高亮度、大視角、全彩色和高對比度，使PDP圖像更加清晰，色彩更加鮮艷，效果更加理想，令傳統(tǒng)電視嘆為觀止。二、與LCD液晶顯示屏相比：PDP顯示亮度高，色彩還原性好，灰度豐富，能提供格外亮麗、均勻平滑的畫面。對迅速變化的畫面響應(yīng)速度快。此外，PDP平而薄的外型也使其優(yōu)勢更加明顯。81PDP的缺點1.若是在明亮環(huán)境之中觀賞時，亮度對比略遜于液晶顯示器一籌。2.在長時間顯示靜止畫面的情況下，畫面切換時易生殘影。3.本身相當(dāng)耗電，而且顯示時易生高熱，必須考慮散熱問題。4.由于材料與結(jié)構(gòu)性限制，讓等離子顯示器不能往20吋以下的小尺寸發(fā)展，乃為市場競爭上的最大弱點82液晶無輻射；等離子低輻射

液晶畫面細(xì)膩；等離子有網(wǎng)紋

液晶是高壓打在背光燈管上，反射成象；等離子是惰性氣體自主發(fā)光成象，因此等離子比液晶色彩艷麗，這也是它的最大優(yōu)點！“液晶不能做大，等離子不能做小”834.高分子液晶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)

前述液晶物質(zhì)是小分子有機物。1950年代Flory曾預(yù)言會有高分子液晶，但當(dāng)時并沒有引起人們的注意，直到1960年代后期，液晶的研究才擴展到高分子領(lǐng)域。

1972年美國的杜邦公司首次得到了液晶高分子，利用它的液晶性質(zhì)，制成高取向的纖維，其商業(yè)名為Kevlar，具有高強度，這一成果引起了高分子科學(xué)工作者的極大興趣，從此液晶高分子成為一個熱門研究領(lǐng)域。高分子液晶的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與小分子液晶相似，要求有棒狀剛性結(jié)構(gòu)，但又有自己的結(jié)構(gòu)特點。84高分子液晶的結(jié)構(gòu)（1）幾何因素：長徑比：R≧6.4（實際遠(yuǎn)大于6.4）這是幾何因素（2）分子間作用力：有一定的基團（3）鏈結(jié)構(gòu)：剛、柔結(jié)合。（這與小分子液晶有區(qū)別）根據(jù)結(jié)構(gòu)，液晶高分子可分兩類：a.主鏈型：其分子結(jié)構(gòu)模型－Z－X－Y－X－Z－85X為、，剛性部分Y為－C＝C－、－C≡C－、－N＝N－、－N＝N0－、－C＝N－，是擴大剛性部分尺寸的基團，使剛性單元的幾何形狀呈扁、平、長的形狀。Z為－COOR-或其它柔性鏈結(jié)構(gòu)等86剛性部分又稱介晶單元柔性部分又稱柔性間隔

在液晶態(tài)下，這些介晶單元（也稱為致介單元）有一種相互間的作用力，聚集排列呈一定方向，而其中的柔性間隔正好提供了這種排列運動所需要的空間。87b.側(cè)鏈型液晶側(cè)基介晶（致介）單元，側(cè)鏈型又稱梳型88

這類聚合物的主鏈仍為柔性高分子鏈，在分子的側(cè)鏈中含有液晶單元，單元是通過一柔性鏈段連在主鏈上，這樣的結(jié)構(gòu)，液晶單元趨于有序排列的同時，各自的主鏈卻傾向于無規(guī)統(tǒng)計構(gòu)象分布，但由于有一柔性鏈段存在，液晶單元仍能有序排列，不受主鏈無規(guī)排列的干擾，從而獲得較好的液晶行為（宏觀模型：似大串鞭炮）89與小分子液晶相比，高分子液晶具有下列特殊性：

①熱穩(wěn)定性大幅度提高；

②熱致性高分子液晶有較大的相區(qū)間溫度；

③粘度大，流動行為與—般溶液顯著不同。從結(jié)構(gòu)上分析，除了致晶單元、取代基、末端基的影響外，高分子鏈的性質(zhì)、連接基團的性質(zhì)均對高分子液晶的相行為產(chǎn)生影響。高分子液晶性質(zhì)90自然界中的液晶維他命B12細(xì)胞膜酵母芽91生物膜之液晶結(jié)構(gòu)液晶對生物的重要性細(xì)胞具有原生質(zhì)膜，以便選擇性的與外界交換物質(zhì)，生物的器官必須具有一些形狀結(jié)構(gòu)。固體可以構(gòu)成結(jié)構(gòu)，卻不能提供穿透性來交換物質(zhì)液體能用來交換物質(zhì)，卻不能形成結(jié)構(gòu)。自然界巧妙的利用液晶兼具固體與液體之性質(zhì)用來作為原生質(zhì)膜細(xì)胞之原生質(zhì)膜主要由磷脂組成之層狀液晶相92

材料的穩(wěn)定狀態(tài)是指其體系自由能最低時的平衡狀態(tài)。但由于種種因素，材料會以高于平衡態(tài)時自由能的狀態(tài)存在，處于一種非平衡的亞穩(wěn)態(tài)。同一化學(xué)成分的材料，其亞穩(wěn)態(tài)時的性能不同于平衡態(tài)時的性能，而且亞穩(wěn)態(tài)可因形成條件的不同而呈多種形式，它們所表現(xiàn)的性能迥異，在很多情況下，亞穩(wěn)態(tài)材料的某些性能會優(yōu)于其處于平衡態(tài)時的性能，甚至出現(xiàn)特殊的性能。因此，對材料亞穩(wěn)態(tài)的研究不僅有理論上的意義，更具有重要的實用價值。第4節(jié)亞穩(wěn)態(tài)材料93納米晶材料（納米結(jié)構(gòu)材料）的概念最早是由H.Gleiter出的，這類固體是由（至少在一個方向上）尺寸為幾個納米的結(jié)構(gòu)單元（主要是晶體）所構(gòu)成。不同取向的納米尺度小晶粒由晶界聯(lián)結(jié)在一起，由于晶粒極微小，晶界所占的比例就相應(yīng)的增大。納米晶材料是一種非平衡態(tài)的結(jié)構(gòu)，其中存在大量的晶體缺陷。2.4.1納米晶材料納米晶材料的二維硬球模型黑點代表晶內(nèi)原子，白球代表晶面處原子。94納米晶材料制備：（1）以非晶態(tài)（金屬玻璃或溶膠）為起始相，使之在晶化過程中形成大量的晶核而生長成為納米晶材料。（2）對起始通常為粗晶的材料，通過強烈地塑性形變（如高能球磨、高速應(yīng)變、爆炸成形等手段）或造成局域原子遷移（如高能粒子輻照、火花刻蝕等）使之產(chǎn)生高密度缺陷而致自由能升高，轉(zhuǎn)變形成亞穩(wěn)態(tài)納米晶。95（3）通過蒸發(fā)、濺射等沉積途徑，如物理氣相沉積（PVD）、化學(xué)氣相沉積（CVD）、電化學(xué)方法等生成納米微粒然后固化，或在基底材料上形成納米晶薄膜材料。（4）沉淀反應(yīng)方法，如溶膠一凝膠（sol-gel），熱處理時效沉淀法等，析出納米微粒。96納米晶材料的性能納米結(jié)構(gòu)材料因其超細(xì)的晶體尺寸（與電子波長、平均自由程等為同一數(shù)量級）和高體積分?jǐn)?shù)的晶界（高密度缺陷）而呈現(xiàn)特殊的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。納米晶金屬與通常多晶或非晶的性能高碳鐵（質(zhì)量分?jǐn)?shù)=1.8%）就是一個突出的例子，其斷裂強度由通常的700MPa提高到8000MPa，增加達(dá)1140％97硬度高，強度高，銳利度高，韌性好，而且納米刀呈黑色，不反光，可視性好。化學(xué)性能穩(wěn)定，刀片材料呈中性，與人體組織有良好的生物相容性，酸血不浸潤，耐腐蝕，易消毒。而且沒有金屬擴散物感染傷口，加快了患者傷口愈合速度。在眼科手術(shù)中，使用納米刀和寶石刀散光小，對神經(jīng)刺激微小，損傷小，傷口恢復(fù)快，安全。在美容整形手術(shù)中，使用納米刀和寶石刀手術(shù)邊緣整齊，組織損傷小，出血少。傷口邊緣平滑完美，可最大回復(fù)自然美感。美容用的種植刀，分株刀的植發(fā)植眉成活率高于任何金屬刀。在癌腫瘤手術(shù)中，納米刀和寶石刀物化性能穩(wěn)定，生物相容性好，對神經(jīng)刺激微小，有抑制癌細(xì)胞擴散的明顯效果。而且人體不產(chǎn)生排異反應(yīng)，患者開刀處受損可降到最低程度，傷口愈合快速。在剖腹產(chǎn)手術(shù)中，使用納米刀和寶石刀，傷口邊緣平滑完美，愈合快速，術(shù)后幾乎無瘢痕。982.4.2非晶態(tài)材料非晶態(tài)材料——一類新型的固體材料一般地是指以非晶態(tài)半導(dǎo)體和非晶態(tài)金屬為主的普通低分子的非晶態(tài)材料;廣義地理解,還應(yīng)包括玻璃、陶瓷，以及非晶態(tài)聚合物（塑料、橡膠）等。倍受關(guān)注的是新近發(fā)展起來的金屬玻璃-非晶態(tài)合金、非晶態(tài)半導(dǎo)體以及非晶態(tài)超導(dǎo)體等等。晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部原子呈周期性排布，而非晶態(tài)物質(zhì)內(nèi)部則沒有這種周期性。由于結(jié)構(gòu)不同，非晶態(tài)物質(zhì)具有許多晶態(tài)物質(zhì)所不具備的優(yōu)良性質(zhì)。99一、晶態(tài)材料與非晶態(tài)材料的異同1.晶體和非晶體都具有固體的基本屬性?原子處在完全確定的平衡位置附近,并在圍繞此平衡位置振動?宏觀表現(xiàn)為連續(xù)剛體;不流動并有確定的形狀;體積不變動?具有彈性硬度,可反抗切應(yīng)力1002.晶體和非晶體內(nèi)部組成粒子的排列的明顯區(qū)別晶態(tài)材料——長程有序（長程序）——結(jié)構(gòu)的周期性，對稱性——X射線衍射非晶態(tài)材料——無序結(jié)構(gòu)——短程有序（短程序）101102長程無序大范圍內(nèi)排列不規(guī)則:位置無序,也稱幾何無序，拓?fù)錈o序——組成粒子在空間位置上排列無序成分無序，也稱化學(xué)無序——多元體系中不同組分無規(guī)則地隨機分布短程有序每個粒子的近鄰粒子的排列具有一定的規(guī)則性較好地保留了相應(yīng)的晶態(tài)材料中的配位狀況：具有一定結(jié)構(gòu)的單元，包括確定配位數(shù)，鍵長，鍵角例如，在非晶態(tài)硅中保留了晶態(tài)硅中的硅四面體結(jié)構(gòu)單元但,這些配位多面體有不同程度的變形103氧化鈹（Be2O3）晶體Be2O3玻璃無序結(jié)構(gòu)：拓?fù)?幾何)和化學(xué)鍵無序兩種拓?fù)錈o序晶體結(jié)構(gòu)閱兵方隊原子排列非晶體鬧市人群104物質(zhì)結(jié)構(gòu)的有序和無序——常見物質(zhì)的固、液、氣三態(tài)的轉(zhuǎn)變，就是構(gòu)成它的原子、分子空間排列的有序-無序的變化。氣態(tài)——高度無序的狀態(tài)晶態(tài)——高度有序的狀態(tài)在液體和非晶態(tài)固體中，從一個寵觀的范圍來看，原子、分子的有規(guī)則周期排列不再存在，但在每個局部，在幾個或十幾個原子間距的范圍內(nèi)，卻常常還有一定程度的規(guī)則排列；例如，每個原子的近鄰配位數(shù)、近鄰原子間的相對位置以及形貌、組分等。這種在小區(qū)域內(nèi)存在的一定程度規(guī)則性，稱為短程序。105不同態(tài)物質(zhì)中質(zhì)點相互作用示意圖（a）氣體；（b）液體；（c）晶體106③位置無序。近鄰原子間的幾何排列呈無規(guī)分布，許多非晶態(tài)金屬和合金就屬此類。④形貌無序（或稱拓?fù)錈o序）。點陣的形貌發(fā)生改變，使最近鄰原子間的配位數(shù)和鍵角、鍵長成無序狀態(tài),這是在非晶態(tài)鍺和硅中常見的現(xiàn)象。還有自旋無序，振動無序等。對應(yīng)于不同類型的短程序，物