功能高分子材料在光电领域的功能高分子材料在光电领域的 应用应用概 论随着新一代显示技术的普及， LCD 、PDP、OLED等这些新兴的名词逐渐被 人们所熟悉。这也标志有机高分子功能材 料在光电领域中有着不可替代的地位。当然，以激光器的诞生、光纤的普及 ，使得通信进入了光的时代。在这场革命 中有机高分子材料同样不甘寂寞，塑料光 纤、非线性光学有机材料说明这些。光电功能有机高分子材料 主要应用领域光电显示领域的应用 液晶材料： 电致发光材料： 闪烁体材料：光通信领域的应用 有机非线性光学材料 有机光导纤维材料信息存储领域的应用 光致变色材料微电子领域的应用 光刻胶其它领域的应用光电子显示技术光显示技术集电子、通信和信息处理 技术于一身，是电子信息工业继微电子、 计算机之后的又一重大发展机会。而这个领域也是光电功能有机高分子 材料应用最为成熟的领域。以液晶材料和 有机电致发光材料为基础的LCD 和OLED 将成为这个领域的主导者。液晶材料什么叫液晶？液晶(liquid crystal) 是一种在一定温度范围内呈现不同于 固态、液态的特殊物质形态，是一种介于固 体与液体之间，具有规则性分子排列的有机化合物。液晶的历史。1888奥地利植物学家莱尼兹尔发现。 1889德国物理学家Lehmann观察到了液晶现象， 并正式命名。 1922法国人菲利德尔将液晶分为三种基本类型也 就是现在人们所熟知的，向列型，近晶型及胆 笫村 1963威廉姆斯发现向列液晶中的畴结构 1968美国的RCA公司发现了向列型液晶通电后动 态散射模式，并正式提出液晶的电子显示的概 念。 1985出现了STN液晶 目前：广泛采用的TFT驱动的STN液晶。液晶的分类： 向列型液晶棒状分子都以相同的方向排列，每个分子在长轴方向比较自由的移动，不存在层 状结构 近晶型液晶棒状分子排列成层状，分子相互平行排列与层大致垂直 胆甾相液晶分子在层面内与向列型液晶一样呈平行排列但是长轴取向由少有些差异，整个液 晶形成螺旋状。常见的液晶分子早期的液晶大多是刚性棒状的分子 中心桥键的结构与液晶性能密切相关无中心桥键，对光、电具有很高的稳定性，粘度特别低 液晶材料的基本特性液晶具有和光学单轴晶体同样的各向 异性的折射率，具有两个不相同的主折射 率。施加电场后，液晶的排列方向随之改 变，并改变了液晶光学性质。液晶的扭曲效应常见的液晶显示器件液晶显示器的原理图 垂直线性偏光器 玻璃薄片 透明X电极 校准层 液态晶体流 校准层 透明Y电极 玻璃薄片 水平线性偏光器 DSTN（dual-scan twisted nematic，双扫描交错液晶显 示） ，被动矩阵（无源矩阵 ） TFT（thin film transistor，薄 膜晶体管显示），积极矩阵 （有源矩阵）液晶着色原理图液晶工作原理图液晶材料在其它光电领域应用 高速光功能器件光快门 非线性光功能器件特殊的液晶材料DOMAMBC也存在倍 频效应，与YAG激光产生了2阶非线性效应。 分立元器件 部分液晶材料具有较大的介电常数， 可以被用来制作大容量小型的电容。电致发光材料及OLEDOLED的市场前景电致发光效应电致发光效应是指在功能材料（主要 是荧光体）在外加电场作用下的自发光现 象。电致发光就方式而言可以分为两种： 注入型和本征型。就材料而言可以分为： 有机性和无机性两大类。OLED的结构原理图OLED的原理示意图陰極陰極陽極陽極电子传输层电子传输层保护层保护层玻璃基板玻璃基板紅光紅光緑光緑光藍光藍光白色光白色光白色光白色光白光发光层白光发光层空穴传输层空穴传输层蓝滤色层蓝滤色层绿滤色层绿滤色层红红滤色层滤色层OLED的特点OLED从理论的角度来说可以提供真正像 纸一样薄的显示器。而且是柔性的，可以 嵌在衣服首饰等等。 低功耗、光视角、响应速度（亚微秒级） ，以实现大面积全彩显示。 结构相当简单。日本2002年政府启动政府基金支持开始60英寸OLED研 发OLED的产品常用的OLED材料 柯达公司采用的有机小 分子结构材料。 采用的工艺流程是蒸镀 的方式。 剑桥所采用的有机大分 子结构。 采用的工艺流程是甩胶 的方式。除了光致发光层外，电流注入层和空穴注入层都 广泛采用高分子有机化合物有机高分子闪烁体材料闪烁体材料在辐射的作用下能够发出短暂荧光或 者磷光的物质荧光和磷光材料主要区别在于跃迁辐 射的机理不同。有机闪烁体有机的闪烁体主要有蒽、联苯等有机 体。目前发展的塑料荧光材料采用高聚物 和荧光物质组成，其中高聚物在塑料闪烁 体中起着溶解荧光物质、吸收射线能量、 传递能量和基质作用。有机荧光材料的特点目前塑料荧光体主要有聚苯乙烯、聚甲 苯乙烯、聚二甲基苯乙烯、聚甲基丙酸甲 脂、环氧树脂等。这些高分子有机荧光材料特点：发光 衰减时间短、光自吸收小、容易加工成型 。闪烁体材料的基本原理。 是个比较复杂的基础理论问题。不经与闪烁体本身有关 还和激发物质（各种辐射，电子射线）。目前还没有统 一完善的理论。 通常的解释，按照分子轨道理论，原子间形成的分子时 可以组成若干个分子轨道，其中有成健轨道和反健轨道 。基态分子的成健电子运动在成健轨道中。当受到激发 的时候，成健轨道中的一个电子就可能跃迁到反健轨道 上，这样的分子称为激发态分子。量子力学中指出，激 发态分子中，跃迁到反健轨道上的电子，其自旋可以有 两种状态。 自旋方向相同的称为单线态，自旋方向相同成为三态线 ，两种态都是激发态但是能级不同。通常认为单线态跃 迁到基态发出荧光，三线态跃迁到基态发出磷光，其发 光是在一段的时间内衰减的。荧光体主要应用闪烁探测器利用闪烁体发出的荧光，经过光电倍 增管在阳极等到了电压脉冲，测定其脉冲 变化，就可以设计出闪烁计数器，闪烁能 谱仪等多种闪烁探测器。闪烁探测中的荧光材料卢瑟福第一次用肉眼x粒子撞击荧光屏产 生了闪烁光，但是那是有机闪烁体； 震惊世界的弱相互作用宇称不守恒定律的 实验证明，就是由华裔吴健雄女士利用闪 烁实验而完成的。光导塑料纤维普通光纤的简介芯芯包层包层树脂被覆层树脂被覆层传统光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂传统光纤是一种高度透明的玻璃丝，由纯石英经复杂 的工艺拉制而成。的工艺拉制而成。 光纤光纤中心部分中心部分( (芯芯Core)Core)同心圆状包裹层同心圆状包裹层( (包层包层Clad)Clad) 涂覆层涂覆层特点：特点：ncorencore ncladnclad 光在芯和包层之间的光在芯和包层之间的界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。界面上反复进行全反射，并在光纤中传递下去。19701970年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通年激光器和低损耗光纤这两项关键技术的重大突破，使光纤通 信开始从理想变成可能。信开始从理想变成可能。 19741974年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法年美国贝尔研究所发明了低损耗光纤制作法CVDCVD法（气相沉法（气相沉 积法），使光纤损耗降低到积法），使光纤损耗降低到1 1分贝公里。分贝公里。 19771977年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达年，贝尔研究所和日本电报电话公司几乎同时研制成功寿命达 100100万小时（实用中万小时（实用中1010年左右）的半导体激光器，从而有了真正实年左右）的半导体激光器，从而有了真正实 用的激光器。用的激光器。 19771977年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速年，世界上第一条光纤通信系统在美国芝加哥市投入商用，速 率为率为45Mb/s45Mb/s。 低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创低损耗光纤的问世导致了光波技术领域的革命，开创 了光纤通信的时代。了光纤通信的时代。光纤之路光纤之路光通信有机光纤的历史有机光纤的研究和生产几乎与石英光纤同 时进行 1964美国杜邦公司首先开发聚甲基丙烯酸 甲脂（PMMA）为纤芯的有机光导纤维目前有机光纤（塑料光纤）在光纤产品中 占有一席之地。 随着，FTTH的普及，有机光纤的需求会 越来越大，甚至可能超过玻璃光纤。塑料光纤的特点有机光纤一般传送蓝光较优，石英光纤传送红 外光较优 能够制成较粗纤经的纤芯，数值孔径大幅度提 高信息传输容量，耦合损耗低，机械性能良好 ，能够承受反复的弯曲和震动，加工方便，只 要普通的剃须刀片就能提供近乎精细研磨和抛 光的端面，适合现场安装，系比重比较小（与 水相当，石英比重2。4左右），减少系统的重 量 价格低廉仅为石英的1/10 耐辐照性能FTTH展望1。降低光损耗和增加传送波长宽度杜邦公司开发的氘代甲基丙烯酸酯的光纤研究，已经将20db/km降 到比较完美的境界。并使有机光导纤维最佳工作波长延伸到了 870nm，使用目前常规使用的镓铝砷激光器和发光二极管的820nm 波长，接近石英光纤通讯水平。 2。 提高有机光导纤维热性能有机光纤热性能往往影响它们的性能，这个方面是有机光导纤维 将来能否得到进一步发展的关键 3。有机光导纤维的开发利用随着有机光纤的性能的改善，其应用的领域也在不断的开拓，有室 内装饰向通讯领域发展。目前宇宙，军事，空间等高科技领域都 找到了潜在的发展。（保密性能好、不受干扰、无法窃听） 4。总之，有机纤维是渗透多学科的研究结晶，他不仅带动化学科学 的发展，还在光电领域开拓新的领域，在整个光电科学领域中将 产生革命性变化。有机非线性光学材料非线性光学机理非线性光学效应是指强相干光（如激 光）在非线性介质中传播时，光波与物质 分子相互作用，其电场引起介质产生的非 线性极化效应。非线性光学的重要价值 1960年激光器诞生以来，非线性光学得 到了飞跃发展。 以非线性光学为背景的光信息技术有许多 优点：并行性，高频率，高带宽，高密度 ，及耐电磁波杂音等。 21世纪高速度传 输，处理及运算大容量信息，有赖于非线 性光学在光技术领域的应用。 非线性光学效应对于发展全面固体光技 术及其他光技术有着许多非常重要的作用 .传统的非线性光学材料.磷酸二氢钾(KDP)钒酸钇(YVO4)钽酸钾(KTaO3）磷酸二氘钾(KD*P)白宝石(-Al2O3) LiNbO3近来出现新的转换效率高的优 质的非线性光学材料钛酸钡系列晶体 KTP(KTiOPO4)BBO(BaB2O4)LBO(LiB3O4) 到目前为止,实用的非线性光学材料产品都 是无机材料，主要是铁电体及半导体。高分子非线性光学材料的历史 有机非线性材料始于上个世纪60年代。 1964年Rentzepis等人用红宝石激光器观察到苯并吡的二 阶高谐波； 同年Heilmeir等人观察到乌洛托品晶体的二阶高谐波 1968年Kurtz等人提出了粉末法半定量估计二阶非线性 谐波法。 1976年Sauteret等人预言三次谐波非线性光学材料实用化的几个基本条件： 非线性极化率较大，转换率高 光损伤阀值高 光学透明而且均一的大尺寸晶体 在激光波段吸收比较小； 易产生相位匹配 化学及热稳定性较好，不易吸潮 制备工艺简单，价格便宜遗憾的是目前还没有任何一种有机非线性光学晶体全部满足要求高分子体系的特点 响应速度快，低于10皮秒 非常大的共振光学效应 低的直流介电常数，使器件要求小的驱动电压； 吸收系数低，仅为有机晶体及化合物半导体的万分之一 ； 优良的化学稳定性及结构稳定性；系统不需要环境保护 及低温设施； 激光损伤阀值可高达GW/cm2； 机械性能好且易于加工的等等。使有机高分子可加工为 各种不同的形式，例如均一的柔软的膜，液晶聚合物， 聚合物共混物及合金，分子复合物，纤维，块状物， LB膜。以上形式有利于控制尺寸及控制上折射系数。目前高分子非线性材料发展的水