2019/2/26,光电信息材料与器件,2019/2/26,相关书目,信息材料导论 林 健 化学工业出版社,电子材料导论 李言荣 等 清华大学出版社,无机材料化学 林建华 等 北京大学出版社,传感器敏感功 能材料及应用 倪星元 等 化学工业出版社,OLED有机电致发 光材料与器件 陈金鑫 等 清华大学出版社,微系统和纳米 技术 周兆英 等 科学出版社,2019/2/26,授课安排,授课老师: 仪明东 E-mail: iammdyinjupt.edu.cn 地址：教5-310房间,考核方式: 开卷考试专题讨论,2019/2/26,课程特点和内容,多：内容丰富, 信息量大 杂：林林总总, 各式各样 目的：开拓知识面，有助于今后的研究工作,特 点,内 容,第一章 导论 第二章 物质结构基础 第三章 半导体材料与微电子器件 第四章 光电子材料基础 第五章 信息传感材料,第六章 信息存储材料 第七章 信息传输材料 第八章 信息显示材料 第九章 信息材料与纳米技术,2019/2/26,第一章 导论,现代经济 重要支柱,能源,材料,信息,无机 材料,有机 材料,2019/2/26,信息技术,获取,储存,传输,显示,二十一世纪信息时代,2019/2/26,Internet of Things,2019/2/26,材料的分类,2019/2/26,信息材料的概念,所谓的信息材料是指用于信息的获取、存储、处理、传递和显示的微电子材料和光电子材料。,2019/2/26,信息材料的分类,1.信息处理材料：微电子材料（Si,GaAs,SOI,III-IV） 2.信息存储材料：磁性合金薄膜，存储介质，有机存储 材料 3.信息传递材料：溶石英光纤 4.信息显示材料：液晶，有机电子材料，荧光粉 5.信息获取材料：探测器材料（III-IV和II-VI为主），传感器材料 6.激光材料：氧化物玻璃，非氧化物玻璃，晶体,2019/2/26,信息材料的发展历程,微电子材料,光电子材料,三极管,集成电路,Ge,Si,MOS,光探测器,激光器,光纤,CdS,Nd3+:YAG,光信息器件,超晶格,2019/2/26,信息传感材料,INPUT,MATERIAL DEVICE,OUTPUT,OUTPUT,INPUT,Sensor,Actuator,Technology Progress,1947,2006,2019/2/26,显示技术发展趋势,2019/2/26,OLED & OPV,Flexible PV cell!,2019/2/26,OPV-Single Structure,2019/2/26,信息材料的发展方向,2019/2/26,The Lycurgus Cup (glass; British Museum; 4th century A. D.),When illuminated from outside, it appears green. However, when Illuminated from within the cup, it glows red. Red color is due to very small amounts of gold powder (about 40 parts per million),Adhesion Cohesion,Adhesion Cohesion,Adhesion Cohesion,2019/2/26,量子尺寸效应：,量子尺寸效应：低维结构中电子运动因受约束而出现的量子能级分裂、带隙增大等效应称为量子尺寸效应。 当量子阱的宽度w等于或小于电子的德布洛意波长d时，处于量子阱中的电子沿量子阱生长方向的运动受到限制而不能自由运动；这时，电子的能态由体材料的连续分布变为一系列的离散量子能级。按照量子力学计算，量子能级间的能量差 与量子阱的宽度 w 的平方成反比。W 越小， 越大，即电子受约束的程度越强。 量子尺寸效应会导致材料的光、电、磁学等性质的显着改变。如量子阱材料具有比体材料大得多的低维激子束缚能和振子强度以及量子限制Stark效应等，这为新一代量子器件（如，量子阱、量子点激光器，光双稳器件和光调制器等）的研制打下了科学基础。,2019/2/26, 若粒子的动能比势垒高度低，在经典力学里，左面阱里的粒子A,是无法越过势垒而到右面阱中去的。但在量子力学中，粒子具有粒子和波的双重特性，如果势阱的垒宽L与粒子A的平均自由程相比拟或小时，则粒子有一定的几率穿透过势垒（见右图）！在势阱中粒子的能量也是量子化的。,量子隧穿效应,2019/2/26, 如果一个量子点通过两个微小隧道结与电源（电子库）相连，系统的电容之和（如小于10-18法拉）足够小，当外加电压小于一个阈值时，并无电流通过；因为只要有一个电子进入量子点，系统的静电能就会增加并阻止随后第二个电子进入同一个量子点，这种现象叫做库仑阻塞（Coulomb blockade）效应，电流-电压特性见右下图示。, 基于库仑阻塞效应可以制造多种量子器件，如单电子器件和量子点旋转门等。单电子器件不仅在超大规模集成电路制造上有着重要应用前景，而且还可用于研制超快、超高灵敏静电计，其分辨率可高达1.210-5e/Hz1/2,可用来检测小于万分之一电子电荷的电量。,库仑阻塞效应,2019/2/26,Synthesis and preparation of nanomaterials,双亲分子及其结构,表面活性剂、溶致液晶 Critical Micelle Concentration 构象的种类：micelles ,lamellar, hexagonal, cubic 常用几种表面活性剂： 阳离子：CTAB, 阴离子：SDS,H atom,C atom,N atom,Inorganic species,Lamellar,反Cubic,Cubic,反Hexagonal,Hexagonal,反胶束,胶束,O atom,S atom,CTAB,SDS,2019/2/26,Harvesting of light,Quantum dots of different size can harvest light of different wavelengths,(World largest panel fabrication by Nanosolar in Berlin),Industry: “Despite a sluggish forecast for the overall high-tech industry in 2009, nanomaterials for solar cells grew 47% in 2008 and is projected to grow another 44% in 2009” (The Information Network, Feb 5, 2009),2019/2/26,Carbon nanotubes cloth,2019/2/26,Piezoelectric Nanogenerators,2019/2/26,原子结构与物质,2019/2/26,薛定谔方程,- 描述原子核外电子运动的波动方程,（在以 x , y , z为变量的正交坐标系中）,用波动方程描述微观粒子运动的科学称为 波动力学或量子力学,2019/2/26,氢原子的量子力学模型,n （主量子数） = 1, 2, 3, 4, 5 l （角量子数） = 0, 1, 2, 3, 4 n 1 m（磁量子数） = 0, 1, 2, . l,2019/2/26,s 轨道(l = 0, m = 0 ) : m 一种取值, 空间一种取向, 一条 s 轨道,p 轨道(l = 1, m = +1, 0, -1) m 三种取值, 三种取向, 三条等价(简并) p 轨道,2019/2/26,d 轨道(l = 2, m = +2, +1, 0, -1, -2) : m 五种取值, 空间五种取向, 五条等价(简并) d 轨道,2019/2/26,1 价健理论,化学键,键：重叠轨道的电子云密度沿键轴方向的投影为圆形，表明电子云密度绕键轴（原子核之间的连线）对称。形象的称为“头碰头”。, 键：重叠轨道的电子云密度绕键轴不完全对称。形象的称为 “肩并肩”。,C2H4分子,2019/2/26,2 离子健理论,离子键 - 原子间通过正、负离子电性吸引 的互相作用称为离子键。 离子键的特点 没有方向性 没有饱和性,r+/r- = 0.225 0.414 ZnS型 配位数：4 r+/r- = 0.414 .732 NaCl 型 配位数：6 r+/r- = 0.732 1 CsCl 型 配位数：8,2019/2/26,3 晶体场理论,d 轨道在四面体场中的能级分裂,2019/2/26,a = c1（1 + 2） b = c1（1 - 2）,分子轨道理论,2019/2/26,2019/2/26,金属键的能带理论,分子轨道理论将金属晶体看作一个巨大分子，结合在一起的无数个金属原子形成无数条分子轨道，某些电子就会处在涉及构成整块金属原子在内的轨道。这样就产生了金属的能带理论（金属键的量子力学模型）。,2019/2/26,Li2的分子轨道图,Li金属的分子轨道图,2019/2/26,金属导体的能带模型,2019/2/26,金属钠中能带形成示意图,3p 3s 2p 2s,能 量,原子数 1 2 3 4 5 () (a) 原子数 增加形成的能带 (b) 电子充填,3p 能带 3s 能带 2p 能带 2s 能带,空带,导带,Eg,禁带,满带,满带,2019/2/26,固体能带结构的两种理解: (1). 近自由电子图像+周期势场的微扰 (2). 原子能级图像+晶体场展宽(紧束缚近似),Two atoms,Six atoms,Solid of N atoms,np,ns,(n-1)d,t1u,a1g,eg,t2g,0,t*1u,a*1g,e*g,t2g,0,eg,a1g,t1u,6L,ML6,M,M,自由离子,晶体场,配位场,配体,六配位八面体配合物的配位场能级图,